PL218277B1

PL218277B1 - Nickel-free near-eutectic silumin produced from pure initial charge materials

Info

Publication number: PL218277B1
Application number: PL391836A
Authority: PL
Inventors: Edward Czekaj
Original assignee: Inst Odlewnictwa
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2014-10-31
Also published as: PL391836A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest bezniklowy okołoeutektyczny silumin wytwarzany z czystych wyjściowych materiałów wsadowych, przeznaczony zwłaszcza na części do silników spalinowych, a także inne elementy konstrukcyjne maszyn i urządzeń pracujące w pokojowej, podwyższonej i/lub wysokiej temperaturze.The subject of the invention is nickel-free, eutectic silumin produced from pure starting materials, especially for parts for internal combustion engines, as well as other structural elements of machines and devices operating at room, elevated and / or high temperature.

Do wykonywania tłoków silników spalinowych i innych detali, od których wymagane są odpowiednie poziomy takich właściwości jak żarowytrzymałość, wytrzymałość i plastyczność w próbie rozciągania w temperaturze pokojowej, twardość, odporność na zmęczenie cieplno-mechaniczne oraz stabilność wymiarowa względem odwracalnych i nieodwracalnych odkształceń w warunkach obciążeń cieplnych, stosuje się siluminy z niklem. W znanych okołoeutektycznych siluminach tłokowych zawartości podstawowych dodatków stopowych i/lub zanieczyszczeń mieszczą się w następujących granicach, w % wagowych: 10,5-13,5 Si, 0,5-4,5 Cu, 0,7-1,5 Mg, 0,0-3,0 Ni, < 0,50 lub 0,30-0,90 Mn, < 0,50 Fe, < 0,25 lub 0,05-0,25 Ti, <, 1,20 Zn, reszta Al.For the production of pistons of combustion engines and other details that require appropriate levels of properties such as creep resistance, strength and tensile strength at room temperature, hardness, resistance to thermo-mechanical fatigue and dimensional stability against reversible and irreversible deformations under thermal stress conditions , silumins with nickel are used. In the known about-eutectic piston silumins, the content of basic alloying additives and / or impurities is within the following limits, in% by weight: 10.5-13.5 Si, 0.5-4.5 Cu, 0.7-1.5 Mg, 0.0-3.0 Ni, <0.50 or 0.30-0.90 Mn, <0.50 Fe, <0.25 or 0.05-0.25 Ti, <, 1.20 Zn, the rest of Al.

Znanym stosowanym siluminem odlewniczym, przeznaczonym zwłaszcza na tłoki silników spalinowych, jest silumin znany z opisu PL 190 504, zawierający w % wagowych: 11,5-18,0 Si, 0,80-1,30 Cu, 0,10-2,00 Mg, 0,10-3,0 Ni, 0,20-0,40 Mn, do 1,5 Fe, do 0,40 Ti, do 0,60 Zn, do 0,20 Sn, do 0,60 Cr, do 1,2 Co, 0,0035-0,0150 P, do 0,0030 Ca, do 0,0010 Na, do 0,0010 Sr, reszta Al.A known used casting silumin, intended in particular for pistons of combustion engines, is silumin known from the description PL 190 504, containing in% by weight: 11.5-18.0 Si, 0.80-1.30 Cu, 0.10-2, 00 Mg, 0.10-3.0 Ni, 0.20-0.40 Mn, up to 1.5 Fe, up to 0.40 Ti, up to 0.60 Zn, up to 0.20 Sn, up to 0.60 Cr , up to 1.2 Co, 0.0035-0.0150 P, up to 0.0030 Ca, up to 0.0010 Na, up to 0.0010 Sr, the rest Al.

Okołoeutektyczne siluminy znane są z opisów patentowych. Na przykład silumin znany z opisu US 6 399 020 składa się, w % wagowych, z 11,0-14,0 Si, 5,6-8,0 Cu, 0,5-1,5 Mg, 0,05-0,9 Ni, 0,0-0,8 Fe, 0,0-1,0 Mn, 0,05-1,2 Ti, 0,12-1,2 Zr, 0,05-1,20 V, 0,05-0,90 Zn, 0,001-0,1 Sr, reszta Al, a inny silumin, przedstawiony w opisie CN101538667, składa się, w % wagowych, z 11-12 Si, 2,5-3,0 Cu, 0,7-0,8 Mg, 0,25-0,40 Mn, 0,15-0,25 Zn, 0,09-0,19 Ni, 0,09-0,28 Ti, 0,09-0,19 Cr, reszta Al.Approximately eutectic silumins are known from patents. For example, the silumin known from US 6,399,020 consists, in% by weight, of 11.0-14.0 Si, 5.6-8.0 Cu, 0.5-1.5 Mg, 0.05-0 , 9 Ni, 0.0-0.8 Fe, 0.0-1.0 Mn, 0.05-1.2 Ti, 0.12-1.2 Zr, 0.05-1.20 V, 0 , 05-0.90 Zn, 0.001-0.1 Sr, the remainder Al, and another silumin described in CN101538667 consists, in% by weight, of 11-12 Si, 2.5-3.0 Cu, 0 , 7-0.8 Mg, 0.25-0.40 Mn, 0.15-0.25 Zn, 0.09-0.19 Ni, 0.09-0.28 Ti, 0.09-0, 19 Cr, the rest Al.

Typowymi siluminami okołoeutektycznymi są na przykład stopy: w USA SAE 321 i SAE 334, w Rosji AK12M2, w W. Brytanii stop LM13, w których zawartości składników stopowych mieszczą się w granicach, w % wagowych: 10,0-13,0 Si, 0,7-3,0 Cu, 0,1-1,5 Mg, 0,0-1,5 Ni, < 0,5 Mn, < 0,7-1,3 Fe, < 0,2-1,2 Zn, < 0,01 Pb, < 0,01 Sn, reszta Al. Polski stop EN AC-4800 AISi12CuNiMg, zgodnie z PN-EN1706:2011, zawiera, w % wagowych: 10,5-13,5 Si, 0,8-1,5 Cu, 0,8-1,5 Mg, 0,7-1,3 Ni, < 0,35 Mn, < 0,7 Fe, < 0,35 Zn, < 0,25 Ti, reszta Al.Typical around-eutectic silumin are, for example, the following alloys: in the USA SAE 321 and SAE 334, in Russia AK12M2, in Great Britain, the LM13 alloy, in which the content of alloying elements is within the limits, in% by weight: 0.7-3.0 Cu, 0.1-1.5 Mg, 0.0-1.5 Ni, <0.5 Mn, <0.7-1.3 Fe, <0.2-1, 2 Zn, <0.01 Pb, <0.01 Sn, balance Al. Polish alloy EN AC-4800 AISi12CuNiMg, in accordance with PN-EN1706: 2011, contains, in% by weight: 10.5-13.5 Si, 0.8-1.5 Cu, 0.8-1.5 Mg, 0 , 7-1.3 Ni, < 0.35 Mn, < 0.7 Fe, < 0.35 Zn, < 0.25 Ti, balance Al.

Znane okołoeutektyczne siluminy zawierające nikiel, przeznaczone na tłoki silników spalinowych, charakteryzują się następującymi właściwościami: żarowytrzymałością - ocenianą czasową granicą wytrzymałości na długotrwałe obciążenie Rz/300°C/100h = 35-50 MPa i/lub długotrwałą twardością na gorąco = 11,0-14,0 HB, Rm = 180-260 MPa, Rp0,2 = 150-220 MPa, twardością wedługKnown nickel-containing around-eutectic silumines for internal combustion engine pistons are characterized by the following properties: creep resistance - the estimated time limit of resistance to long-term load Rz / 300 ° C / 100h = 35-50 MPa and / or long-term hot hardness = 11.0- 14.0 HB, Rm = 180-260 MPa, Rp0.2 = 150-220 MPa, hardness according to

Brinella 85-135 HB, A5 = 0,2-1,5%, odpornością na zmęczenie mechaniczne Zg = 80-150 MPa, = = 60-85 MPa, R³⁵0°₂° ^c = 30-40 MPa, A³/ ⁰°^c = 2-10%, at²e°-_h ^{3 0 0}°^c = 20,5-21,5-10^-6 K^-1, afz⁰°^c = = 23,0-25,0-10^-6 K^-1, trwałą zmianą wymiarów | (Δ V / V0) 3 00h^C I = 0,10-1,0%.Brinell 85-135 HB, A5 = 0.2-1.5%, resistance to mechanical fatigue Zg = 80-150 MPa, = = 60-85 MPa, R ³⁵ 0 ° ₂ ° ^c = 30-40 MPa, A ³ / ⁰ ° ^c = 2-10%, at ² e ° - _h ^{3 0 0} ° ^c = 20.5-21.5-10 ^-6 K ^-1 , fz ⁰ ° ^c = = 23.0-25.0 -10 ^-6 K ^-1 , permanent change of dimensions | (Δ V / V0) ^{300h C} I = 0.10-1.0%.

Wszystkie wymienione znane siluminy zawierają drogi i deficytowy składnik stopowy jakim jest nikiel. Właśnie nikiel zapewnia wymaganą żarowytrzymałość, źaroodporność oraz zmniejszenie parametrów rozszerzalności cieplnej.All the mentioned known silumins contain the expensive and deficient alloy component nickel. It is nickel that provides the required creep resistance, heat resistance and reduction of thermal expansion parameters.

Bezniklowy okołoeutektyczny silumin wytwarzany z czystych wyjściowych materiałów wsadowych, według wynalazku, składa się, w % wagowych, z 11,0-13,5 Si, 3,20-3,50 Cu, 0,50-0,70 Mg, 0,35-0,55 Mn i zanieczyszczeń w postaci < 0,50 Fe, < 0,50 Zn, < 0,50 Ni, < 0,10 Sn i innych pierwiastków w ilości do 0,30, resztę stanowi Al, przy czym stosunek zawartości Cu : Mg : Mn mieści się w granicach 7,0-8,0: 1,0-1,5: 1,0.Nickel-free, ca-eutectic silumin produced from pure starting feedstock according to the invention consists, in% by weight, of 11.0-13.5 Si, 3.20-3.50 Cu, 0.50-0.70 Mg, 0, 35-0.55 Mn and impurities in the form of <0.50 Fe, <0.50 Zn, <0.50 Ni, <0.10 Sn and other elements in the amount of up to 0.30, the rest is Al, with the ratio the content of Cu: Mg: Mn is in the range of 7.0-8.0: 1.0-1.5: 1.0.

Bezniklowy okołoeutektyczny silumin według wynalazku, charakteryzujący się odpowiednim stosunkiem zawartości miedzi do magnezu i manganu, posiada w podwyższonej i wysokiej temperaturze trwały skład fazowy, co zapewnia mu żarowytrzymałość na poziomie siluminów z niklem, a także stabilność względem trwałych odkształceń w warunkach obciążeń cieplnych bliską zerowym wartościom.Nickel-free, circum-eutectic silumin according to the invention, characterized by an appropriate ratio of the content of copper to magnesium and manganese, has a stable phase composition at elevated and high temperatures, which provides it with heat resistance at the level of silumin with nickel, and stability against permanent deformation under heat loads close to zero values .

Bezniklowy okołoeutektyczny silumin wytwarzany z czystych wyjściowych materiałów wsadowych, według wynalazku, ma następujące właściwości: żarowytrzymałość = 12,0-14,0 HB,Nickel-free caeutectic silumin produced from pure starting feed materials according to the invention has the following properties: creep resistance = 12.0-14.0 HB,

Rm = 210-240 MPa, A5 = 0,6-1,2%, twardość wg Brinella = 95-115 HB, = 8-9%, współczynniki rozszerzalności cieplnej = 20,0-21,0-10^-6 K^-1 i = 22,0-23,0-10^-6 K^-1 oraz nieodwracalne zmiany wymiarowe < 0,20%. Posiada więc porównywalne właściwości w odniesieniu doRm = 210-240 MPa, A5 = 0.6-1.2%, Brinell hardness = 95-115 HB, = 8-9%, coefficients of thermal expansion = 20.0-21.0-10 ^-6 K ^{- 1} i = 22.0-23.0-10 ^-6 K ^-1 and irreversible dimensional changes <0.20%. It therefore has comparable properties with respect to

PL 218 277 B1 znanych okołoeutektycznych siluminów zawierających nikiel w ilości około jednego procenta wagowego. Zaletą bezniklowego okołoeutektycznego siluminu, według wynalazku, jest więc zachowanie wyjątkowej stabilności wymiarów podczas krótko- i długotrwałego działania obciążeń cieplnych.The known about-eutectic silumins contain about one weight percent nickel. The advantage of the nickel-free, eutectic silumin according to the invention is therefore that it maintains exceptional dimensional stability during short and long term exposure to heat loads.

Bezniklowy okołoeutektyczny silumin według wynalazku, z uwagi na stabilność wymiarową względem odwracalnych oraz nieodwracalnych zmian wymiarowych, w warunkach quasi-statycznych i/lub zmiennych obciążeń cieplnych, znajduje zastosowanie do wytwarzania tłoków silników spalinowych i innych odpowiedzialnych elementów silników spalinowych oraz aparatury kontrolno-pomiarowej.Nickel-free, circum-eutectic silumin according to the invention, due to its dimensional stability against reversible and irreversible dimensional changes, under quasi-static conditions and / or variable thermal loads, is used for the production of pistons of internal combustion engines and other responsible components of internal combustion engines as well as control and measurement equipment.

W siluminie według wynalazku możliwe jest rozdrobnienie ziaren Al roztworu stałego i/lub modyfikacja eutektyki krzemowej (a_Al + P_S) powodujące zwiększenie wytrzymałości R_m i R_p0,₂ o 10-30% a plastyczności A5 o 100-300%, co skutkuje wzrostem odporności siluminu według wynalazku na ciepino-mechaniczne zmęczenie, zmniejsza się skłonność do tworzenia mikroporowatości skurczowej i gazowej, pod wyższeniu ulega żarowytrzymałość oraz wysokotemperaturowa wytrzymałość zmęczeniowa, polepszają się także właściwości trybologiczne, głównie odporność na ścieranie. Odlewane do form metalowych części konstrukcyjne z bezniklowego siluminu okołoeutektycznego według wynalazku, poddawane obróbce cieplnej, polegającej na sztucznym starzeniu w temperaturze 210-240°C przez 6-8 godzin, charakteryzują się stabilnością w odniesieniu do trwałych zmian wymiarowych w warunkach obciążeń cieplnych.In siluminie according to the invention it is possible fragmentation of the grains of Al solid solution and / or the modification of eutectic silicon _(Al + P and _S) which increase the strength R _m and R _p0 ₂ of 10-30% and strength A5 100-300%, which results in an increase in the resistance of the silumin according to the invention to heat-mechanical fatigue, the tendency to create shrinkage and gas microporosity decreases, the creep resistance and high-temperature fatigue resistance are higher, the tribological properties, mainly abrasion resistance, are also improved. Structural parts made of nickel-free caeutectic silumin according to the invention, cast in metal molds, subjected to heat treatment involving artificial aging at 210-240 ° C for 6-8 hours, are stable against permanent dimensional changes under heat loads.

Przykład składu chemicznego bezniklowego okołoeutektycznego siluminu wytwarzanego z czystych wyjściowych materiałów wsadowych według wynalazku.Example of a chemical composition of a nickel-free, eutectic silumin produced from the pure starting materials of the invention.

P r z y k ł a dP r z k ł a d

Bezniklowy okołoeutektyczny silumin o składzie w % wagowych: 12,25 si, 3,35 Cu, 0,60 Mg, 0,45 Mn, 0,30 Fe, 0,15 Zn, 0,02 Sn, reszta Al, posiada następujące właściwości:Nickel-free caeutectic silumin with the composition in% by weight: 12.25 si, 3.35 Cu, 0.60 Mg, 0.45 Mn, 0.30 Fe, 0.15 Zn, 0.02 Sn, the rest Al, has the following properties :

= 12,3 HB, Rm = 219 MPa, Rp0,2 = 201 MPa, A5 = 0,9%, = 8,4%, twardość wg= 12.3 HB, Rm = 219 MPa, Rp0.2 = 201 MPa, A5 = 0.9%, = 8.4%, hardness acc. To

Brinella = 104 HB, αξ⁰^³⁰⁰^ = 20,5-10^-6 K^-1, a3°⁰°^c = 22,5-10^-6 K^-1, (Δ7/7„) = - 0,16%, a poddany procesowi rozdrobnienia ziaren krzemu pierwotnego za pomocą fosforu w ilości 0,007%, uzyskuje Rm = 235 MPa i twardość wg Brinella = 115 HB.Brinell = 104 HB, αξ ⁰ ^ ³⁰⁰ ^ = 20.5-10 ^-6 K ^-1 , a3 ° ⁰ ° ^c = 22.5-10 ^-6 K ^-1 , (Δ7 / 7 ") = - 0.16 %, and subjected to the process of grinding primary silicon grains with phosphorus in the amount of 0.007%, it obtains Rm = 235 MPa and Brinell hardness = 115 HB.

Claims

Patent claim

Nickel-free caeutectic silumin produced from pure starting feedstock containing Al, Si, Cu, Mg, Mn, characterized by a weight% of 11.0-13.5 si, 3.20-3.50 Cu , 0.50-0.70 Mg, 0.35-0.55 Mn and impurities in the form of: <0.50 Fe, <0.50 Zn, <0.50 Ni, <0.10 Sn and other elements in up to 0.30%, the remainder being Al, with the Cu: Mg: Mn content ratio being 7.0-8.0: 1.0-1.5: 1.0.