PL193871B1

PL193871B1 - Odlew ze stopu aluminium na głowicę cylindrową i blok cylindrów i sposób wytwarzania odlewu ze stopu aluminium na głowicę cylindrową i blok cylindrów

Info

Publication number: PL193871B1
Application number: PL340325A
Authority: PL
Inventors: Franz Josef Feikus; Leonhard Heusler
Original assignee: Hydro Aluminium Deutschland
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2007-03-30
Also published as: US20020053373A1; ES2163386T3; US6511555B2; MXPA00005392A; DE50000009D1; EP1057900A1; PL340325A1; EP1057900B1; CA2310351A1; DE19925666C1; CZ20002066A3; CZ293797B6; ATE204026T1; CA2310351C

Abstract

1. Odlew ze stopu aluminium na glowice cylindrowa i blok cylindrów, majacy nastepujacy sklad, w procentach wagowych: Si 6,80% -7,20% Fe 0,35% -0,45% Cu 0,30% -0,40% Mn 0,25% -0,30% Mg 0,35% -0,45% Ni 0,45% -0,55% Zn 0,10% -0,15% Ti 0,11% -0,15% pozostalosc aluminium oraz nieuniknione zanieczyszczenia, maksymalnie 0,05% wagowych kazdego z zanieczyszczen oddzielnie, lacznie maksymalnie 0,15% wagowych, znamienny tym, ze zawiera co najmniej 1% objetosciowy faz typu aluminium-nikiel, aluminium-miedz, aluminium- mangan, aluminium-zelazo i faz mieszanych wymienionych typów. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest odlew ze stopu aluminium na głowicę cylindrową i blok cylindrów i sposób wytwarzania odlewu ze stopu aluminium na głowicę cylindrową i blok cylindrów.

Znane jest wytwarzanie odlewu na głowicę cylindrową i blok cylindrów, ze stopu aluminium o następującym składzie, w procentach wagowych: Si 6,80% - 7,20%, Fe 0,35% - 0,45%, Cu 0,30% - 0,40%, Mn 0,25% - 0,30%, Mg 0,35% - 0,45%, Ni 0,45% - 0,55%, Zn 0,10% - 0,15%, Ti 0,11% - 0,15%, pozostałe aluminium oraz nieuniknione zanieczyszczenia, maksymalnie 0,05% wagowych każdego z zanieczyszczeń oddzielnie, łącznie maksymalnie 0,15% wagowych.

Własności aluminium zależą od całego szeregu czynników. Bardzo ważną rolę odgrywają przy tym zwłaszcza dodane lub istniejące przypadkowo domieszki innych pierwiastków. Głównymi pierwiastkami stopowymi są miedź (Cu), krzem (Si), magnez (Mg), cynk (Zn), mangan (Mn). W mniejszych ilościach obecne są zanieczyszczenia lub dodatki w postaci żelaza (Fe), chromu (Cr), tytanu (Ti). Dla stopów specjalnych stosuje się dodatki niklu (Ni), kobaltu (Co), srebra (Ag), litu (Li), wanadu (V), cyrkonu (Zr), cyny (Sn), ołowiu (Pb), kadmu (Cd), bizmutu (Bi).

Wszystkie składniki stopowe są w wystarczająco wysokiej temperaturze całkowicie rozpuszczalne w ciekłym aluminium. Rozpuszczalność w stanie stałym, której towarzyszy powstawanie kryształów roztworu stałego, jest dla wszystkich pierwiastków ograniczona. Nie istnieje układ stopowy aluminium, który zawierałby roztwór stały ciągły. Nierozpuszczone składniki tworzą w strukturze stopu własne fazy, nazywane heterogenicznymi składnikami struktury. Często są to twarde i kruche kryształy, składające się z samych pierwiastków (na przykład Si, Zn, Sn, Pb, Cd, Bi) lub z międzymetalicznych związków aluminium (na przykład Al2Cu, Al8Mg3, Al6Mn, Al3Fe, Al7Cr, Al3Ni, AlLi). W stopach zawierających trzy lub więcej składniki oprócz związków międzymetalicznych występują ponadto związki międzymetaliczne dodatków pomiędzy sobą (na przykład Mg2Si, MgZn2), fazy potrójne (na przykład Al8Fe2Si, Al2Mg3Zn3, Al2CuMg) i wyższe. Tworzenie roztworu ciągłego i ukształtowanie heterogenicznych składników struktury (ilość, wielkość, kształt i rozkład) wyznaczają fizyczne, chemiczne i technologiczne własności stopu. Malejąca wraz z temperaturą szybkość dyfuzji powoduje, że kryształy roztworu stałego Al po szybkim chłodzeniu z wyższych temperatur mogą zawierać większe ilości rozpuszczonych składników, niż to wynika z równowagi w temperaturze pokojowej. W takich przesyconych kryształach roztworu stałego w temperaturze pokojowej lub umiarkowanie podwyższanych temperaturach mogą zachodzić procesy wydzieleniowe (którym częściowo towarzyszy powstawanie faz metastabilnych), mogące wykazywać znaczny wpływ na własności. Pierwiastki cechujące się powolną dyfuzją, jak Mn, przy szybkim chłodzeniu ze stanu stopionego mogą nawet ulec przesyceniu daleko poza maksymalną rozpuszczalność równowagową. To przesycenie można zlikwidować poprzez wyżarzanie w wysokich temperaturach. Dodatki wydzielają się wówczas w postaci drobnodyspersyjnej. Najczęściej wyżarzanie to (wyżarzanie wysokotemperaturowe) stosuje się również do wyrównania mikrosegregacji.

Poniżej przedstawionych jest wraz z objaśnieniem kilka znanych, ważnych z praktycznego punktu widzenia, układów dwu-i trójskładnikowych zawierających aluminium:

Aluminium-miedź

W przedziale od 0 do około 53% wagowych Cu istnieje prosty eutektyczny układ częściowy z mieszaniną eutektyczną dla 33,2% wagowych Cu i w 547°C. Maksymalna rozpuszczalność w temperaturze eutektycznej w roztworze stałym a wynosi 5,7% wagowych. Rozpuszczalność zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury i w 300°C wynosi około 0,45% wagowych. Nierozpuszczona miedź w stanie równowagi na postać Al2Cu. Poprzez wydzielanie z przesyconego roztworu stałego można w średnim przedziale temperatur uzyskać metastabilne fazy przejściowe.

Aluminium-krzem

Układ jest czysto eutektyczny, zaś mieszanina eutektyczna istnieje dla 12,5% wagowych Si w 577°C. W tej temperaturze w roztworze stałym a rozpuszcza się 1,65% wagowych Si. W 300°C rozpuszczalność wynosi około 0,07% wagowych. Krystalizację krzemu eutektycznego można regulować za pomocą niewielkich dodatków (na przykład sodu lub strontu). Następuje przy tym przechłodzenie zależne od szybkości chłodzenia i przesunięcie stężenia punktu eutektycznego.

Aluminium-magnez

Przedział od 0 do około 36% wagowych Mg jest eutektyczny. Mieszanina eutektyczna istnieje dla około 34% wagowych i 450°C. W tej temperaturze (maksymalna) rozpuszczalność wynosi 17,4% wagowych Mg. W 300°C rozpuszczalność wynosi 6,6% wagowych, zaś w 100°C w roztworze

PL 193 871 B1 stałym a rozpuszcza się około 2,0% wagowych Mg. Nierozpuszczony magnez istnieje w strukturze najczęściej jako faza b (Al8Mg5).

Aluminium-cynk

Stopy tworzą układ eutektyczny z bogatą w cynk mieszaniną eutektyczną dla 94,5% wagowych Zn i 382°C. W interesującym tutaj, bogatym w aluminium, obszarze w roztworze stałym a w 275°C rozpuszcza się 31,6% wagowych Zn. Rozpuszczalność jest silnie zależna od temperatury i w 200°C maleje do 14,5% wagowych, zaś w 100°C do około 3,0% wagowych.

W układach aluminium-mangan, aluminium-żelazo i aluminium-nikiel mieszanina eutektyczna występuje przy niskim stężeniu. Temperatura topnienia ulega bardzo nieznacznemu obniżeniu. Z wyjątkiem manganu rozpuszczalność w stanie stałym jest niewielka.

Z czasopisma AFS Transactions, tom 61, 1998, strony 225 do 231 znane jest rozwiązanie, w którym stopy odlewnicze aluminium i krzemu na głowice cylindrowe optymalizuje się poprzez dodanie miedzi. Żarowytrzymałość stopu AlSi7Mg, do którego dodano 0,5% do 1% wagowych miedzi, wzrasta w znaczącym stopniu, przy czym jednocześnie poprawie ulega także granica pełzania. Poprawa mechanicznych właściwości wytrzymałościowych oznacza jednak równocześnie pogorszenie ciągliwości i zmniejszenie odporności na korozję.

Po odlewniczym procesie wytwarzania odlewów na głowice cylindrowe i bloki cylindrów niezbędna jest często obróbka skrawaniem. W określonych stopach występują tutaj problemy związane ze zbyt małą twardością, ponieważ odlewy są na powierzchni bardzo miękkie, wobec czego przy skrawaniu mogą powstawać drobne rowki lub zaciągnięcia.

Tego typu stopy muszą ponadto wykazywać wysoką przewodność cieplną, aby odlewy nadawały się do zastosowania w dziedzinie silników. Wzięte dla porównania stopy tłokowe o zawartości 12% wagowych Si nie spełniają tych wymagań, podobnie jak stosowany zwykle AlSi9Cu3.

Celem wynalazku jest zaproponowanie nadającego się do zastosowania w odlewach na głowice cylindrowe i bloki cylindrów stopu o wysokiej przewodności cieplnej i odpowiednio ukształtowanej strukturze, który charakteryzuje się wysoką żarowytrzymałością, dobrą granicą pełzania oraz wystarczającą ciągliwością, a jednocześnie wykazuje niewielką podatność na korozję i nadaje się do obróbki skrawaniem.

Według wynalazku, odlew ze stopu aluminium na głowicę cylindrową i blok cylindrów, mający

następujący skład, w procentach wagowych
Si	6,80% -7,20%
Fe	0,35% -0,45%
Cu	0,30% -0,40%
Mn	0,25% -0,30%
Mg	0,35% -0,45%
Ni	0,45% -0,55%
Zn	0,10% -0,15%
Ti	0,11% -0,15%

pozostałość aluminium oraz nieuniknione zanieczyszczenia, maksymalnie 0,05% wagowych każdego z zanieczyszczeń oddzielnie, łącznie maksymalnie 0,15% wagowych, charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej 1% objętościowym faz typu aluminium-nikiel, aluminium-miedź, aluminium-mangan, aluminium-żelazo i faz mieszanych wymienionych typów.

Korzystnie, odlew zawiera strukturę z aluminiową osnową a w ilości 40% - 60% objętościowych, eutektyczną z fazą aluminium-krzem w ilości 40% do 55% objętościowych, innych faz aluminium i składników stopowych w postaci żelaza, miedzi, magnezu, niklu, krzemu i manganu, w ilości 1% do 3% objętościowych.

Korzystnie też stop aluminium zawiera Si, Fe, Cu, Mn, Mg i Ni w ilościach wagowych, przy których zachodzą proporcje Si : Fe : Cu = 7 : 0,4 : 0,35; Fe : Mn = 1: 0,7 oraz Ni : Mg : Cu = 5 : 4 : 3,5.

Według wynalazku, sposób wytwarzania odlewu na głowicę cylindrową i blok cylindrów ze stopu aluminium, charakteryzuje się tym, że stop aluminium podaje się do formy odlewniczej w temperaturze od 720°C do 740°C, następnie chłodzi sięgoz szybkością 0,1 - 10 K/s, zaśpo ochłodzeniu do temperatury pokojowej poddaje się go obróbce cieplnej, która obejmuje wyżarzanie rozpuszczające w 530°C przez 5 godzin, szybkie schłodzenie w wodzie o temperaturze 80°C oraz przetrzymywanie w temperaturze od 160°C do 200°C przez 6 godzin.

PL 193 871 B1

Odlewy na głowice cylindrowe i bloki cylindrów, wykonane ze stopu aluminium o następującym składzie, w procentach wagowych:

Si	6,80%	- 7,20%,
Fe	0,35%	- 0,45%,
Cu	0,30%	- 0,40%,
Mn	0,25%	- 0,30%,
Mg	0,35%	- 0,45%,
Ni	0,45%	- 0,55%,
Zn	0,10%	- 0,15%,
Ti	0,11%	- 0,15%,

a pozostałość aluminium oraz nieuniknione zanieczyszczenia, maksymalnie 0,05% wagowych każdego z zanieczyszczeń oddzielnie, łącznie maksymalnie 0,15% wagowych, charakteryzują się szczególnie wysoką granicą pełzania i żarowytrzymałością, jeżeli zawierają fazy typu aluminium-nikiel, aluminium-miedź, aluminium-mangan, aluminium-żelazo i fazy mieszane wymienionych typów w ilości od 1 do 3% objętościowych, zwłaszcza o stosunku wagowym Ni : Mg : Cu = 5 : 4 : 3,5. Poprawę przewodności cieplnej i ciągliwości w odlewie na głowicę cylindrową i blok cylindrów osiąga się poprzez wytworzenie struktury, składającej się z 40% - 55% objętościowych osnowy aluminiowej a i utrzymanie stosunku wagowego Mn/Fe wynoszącego co najmniej 0,7 : 1. Jeżeli stop aluminium zawiera pierwiastki w następujących proporcjach wagowych:

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

-Ni:Mg:Cu=5:4:3,5 wówczas odlew według wynalazku na głowicę cylindrową i blok cylindrów wykazuje bardzo dobrą odporność na korozję. Stwierdzono, że odlewy na głowice cylindrowe i bloki cylindrów nadają się lepiej do obróbki skrawaniem i mają wyższą twardość, jeżeli wytworzono je w następujący sposób.

Sposób wytwarzania odlewu ze stopu aluminium polega na tym, że stop podaje się w temperaturze od 720°C do 740°C do formy odlewniczej, po czym chłodzi się go z szybkością 0,1 -10 K/s i po ochłodzeniu do temperatury pokojowej poddaje się go obróbce cieplnej, polegającej na wyżarzaniu rozpuszczającym w 530°C przez 5 godzin, szybkim schłodzeniu w wodzie o temperaturze 80°C oraz przetrzymywaniu w temperaturze od 160°C do 200°C przez 6 godzin.

Poniżej przedstawionych jest kilka przykładów wykonania, z których wynikają zalety technologiczne w postaci wyższej twardości oraz związanej z tym lepszej podatności na obróbkę skrawaniem, a także mniejszej podatności na korozję przy zachowaniu dobrych własności mechanicznych (tabela 1). W porównaniu do stopów według wynalazku badaniom poddano stop aluminium-krzem-nikiel, znany z Aluminium-Taschenbuch, wydanie 14, strona 35. Okazało się, że z uwagi na wysoką zawartość mieszaniny eutektycznej przewodność cieplna była niewielka.

Ocena podatności technologicznej opiera się na porównaniu twardości, przy czym poszczególne wartości mierzono metodą wciskania wgłębnika według Brinella. Dla stopu według wynalazku otrzymano twardość od 100 -105 HB w przeciwieństwie do 85 -90HB dla stopu porównawczego.

Szczególnie wysokie wartości twardości stopu według wynalazku można było osiągnąć za pomocą specjalnej obróbki cieplnej, zdefiniowanej w zastrzeżeniu 4. Parametry tej obróbki były następujące:

temperatura odlewania 730°C szybkość chłodzenia około 1 - 5 K/s wyżarzanie rozpuszczające 530°C przez 5 godzin szybkie chłodzenie w wodzie o temperaturze 80°C przetrzymywanie w 180°C przez 6 godzin

Porównanie odporności na korozję ze stopem zawierającym miedź (0,5% wagowych Cu ze stopu 6) ukazało wyraźną poprawę odporności na korozję (w stosunku do stanu techniki), zwłaszcza zaś w porównaniu z powszechnie stosowanymi stopami, na przykład stopem nr 5, wykorzystywanym dotychczas do wytwarzania odlewów na głowice cylindrowe i bloki cylindrów. Należy zatem przyjąć, że przy użyciu stopu według wynalazku można osiągnąć istotną poprawę odporności na korozję poprzez kompensację miedzi niklem, przy czym do korzystnego ukształtowania faz, to znaczy osiągnięcia znacznego stopnia sferoidyzacji względnie zaokrąglenia faz typu aluminium-miedź i magnez-krzem,

PL 193 871 B1 przyczynia się specjalna, opisana powyżej, obróbka cieplna oraz utrzymanie zawartości w granicach określonych w zastrzeżeniu 1.

Dla osiąganych każdorazowo wartości twardości decydujące znaczenie miały nie tylko stosowane typy faz, lecz również ich rozkład i stopień rozdrobnienia, a także ilość, mierzona w % objętościowych. Ilość wyznaczano za pomocą jakościowych analiz obrazu przy użyciu statystycznie wybranych szlifów, typy faz określano przy użyciu mikrosondy. Podczas gdy stop 6 odpowiadający stanowi techniki (tabela 1) zawiera jedynie 0,5% objętościowych fazy zawierającej Cu, stop według wynalazku zawiera drobnodyspersyjne fazy międzymetaliczne o średniej długości co najwyżej 20 mm typu aluminium-nikiel, aluminium-miedź i aluminium-żelazo-mangan, przy czym udział objętościowy wynosi co najmniej 1% objętościowych, co należy uważać za istotną przyczynę wzrostu żarowytrzymałości. Stopień rozdrobnienia poszczególnych typów faz można było regulować poprzez dobór temperatury odlewania i warunków chłodzenia.

	Korozja	+	+	+	+
	Twardość HB	105	o o	102	104	o σ>	85
Rozkład pierwiastków	z b> 5	4:5				1	1
Fe:Mn	1:0,7				1
Si:Fe:Cu	LD co O 0 o K				1	1
W % wagowych	i-	τ- ο	0,12	0,13	0,15	0,121	0,007
Zn	0,10	0,12	0,13	ID o	0,270	900*0 I_
z	ID M- o	0,48	0,52	0,55	0,010	tf o o o”
O) 2	0,35	0,38	CM Μ o	0,45	0,27	0,36 '
c 2	0,25 I	0,26	0,28	o co Cf	0,520	0,005
Cu	0,30	0,33	0,37	0,40	2,40	0,50
Fe	0,35	0,38	5 o	LD •tf o‘	0,650	0,125
ώ	6,80	6,93	r- o l<	7,20	8,86	7,13
		Stop 1 wg wyn.	Stop 2 wg wyn.	Stop 3 wg wyn.	Stop 4 wg wyn.	Stop 5 porówn.	Stop 6 porówn.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Odlew ze stopu aluminium na głowicę cylindrową i blok cylindrów, mający następujący skład, w procentach wagowych:

Si 6,80% -7,20% Fe 0,35% -0,45% Cu 0,30% -0,40% Mn 0,25% -0,30% Mg 0,35% -0,45% Ni 0,45% -0,55% Zn 0,10% -0,15% Ti 0,11% -0,15% pozostałość aluminium oraz nieuniknione zanieczyszczenia, maksymalnie 0,05% wagowych każdego z zanieczyszczeń oddzielnie, łącznie maksymalnie 0,15% wagowych, znamienny tym, że zawiera co najmniej 1% objętościowy faz typu aluminium-nikiel, aluminium-miedź, aluminium-mangan, aluminiumżelazo i faz mieszanych wymienionych typów.

2. Odlew według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera strukturę z aluminiową osnową a wilości 40%- 60% objętościowych, eutektyczną z fazą aluminium-krzem w ilości 40% do 55% objętościowych, innych faz aluminium i składników stopowych w postaci żelaza, miedzi, magnezu, niklu, krzemu i manganu, w ilości 1% do 3% objętościowych.

3. Odlew według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stop aluminium zawiera Si, Fe, Cu, Mn, Mg i Ni w ilościach wagowych, przy których zachodzą proporcje Si : Fe: Cu = 7 : 0,4 : 0,35; Fe: Mn =1:0,7orazNi:Mg:Cu=5:4:3,5.

4. Sposób wytwarzania odlewu na głowicę cylindrową i blok cylindrów ze stopu aluminium, znamienny tym, że stop aluminium podaje się do formy odlewniczej w temperaturze od 720°C do 740°C, następnie chłodzi się go z szybkością 0,1 - 10 K/s, zaś po ochłodzeniu do temperatury pokojowej poddaje się go obróbce cieplnej, która obejmuje wyżarzanie rozpuszczające w 530°C przez 5 godzin, szybkie schłodzenie w wodzie o temperaturze 80°C oraz przetrzymywanie w temperaturze od 160°C do 200°C przez 6 godzin.