PL218946B1

PL218946B1 - Odlewniczy okołoeutektyczny silumin

Info

Publication number: PL218946B1
Application number: PL391841A
Authority: PL
Inventors: Edward Czekaj
Original assignee: Inst Odlewnictwa
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2015-02-27
Also published as: PL391841A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest odlewniczy okołoeutektyczny silumin, przeznaczony zwłaszcza na części do silników spalinowych takich jak tłoki, głowice i bloki cylindrów średnio- i wysokoobciążonych silników spalinowych, a także inne części konstrukcyjne maszyn i urządzeń pracujące w pokojowej, podwyższonej i/lub wysokiej temperaturze.

Znane okołoeutektyczne siluminy przeznaczone na tłoki wysokoobciążonych silników mają następujące składy chemiczne, w % wagowych. Niemieckie siluminy-KS 245: 11,0-13,0 Si, 0,5-1,5 Cu,

0,7-1,3 Mg, 2,0-3,0 Ni, < 0,35 Mn, < 1,20 Fe, < 0,35 Zn, < 0,25 Ti, reszta Al, silumin Nural 3210: 11,0 -13,0 Si, 4,5 Cu, 0,7 Mg, 1,5 Ni, < 0,5 Fe, < 0,35 Zn, < 0,25 Ti, reszta Al, silumin M142: 11,0-13,0 Si, 2,5-4,0 Cu, 0,8-1,2 Mg, 1,75-3,0 Ni, < 0,7 Fe, < 0,3 Zn, < 0,3 Mn, < 0,2 innych pierwiastków, reszta Al, silumin M174: 12,0-14,0 Si, 4,0-6,0 Cu, 0,5-1,2 Mg, 1,75-3,0 Ni, < 0,37 Fe, < 0,3 Zn, < 0,2 innych pierwiastków, reszta Al, rosyjskie-silumin AΛ25: 10,0-13,0 Si, 1,5-3,0 Cu, 0,8-1,3 Mg, 0,8-1,3 Ni, 0,3 -0,6 Mn, 0,05-0,20 Ti, < 0,8 Fe, < 0,50 Zn, < 0,20 innych pierwiastków, reszta Al, silumin ΒΑΛ6: 11,0 -13,0 Si, 3,2-4,0 Cu, 0,8-1,3 Mg, 2,0-3,0 Ni, 0,4-0,7 Mn, 0,10-0,30 Ti, < 0,5 Fe, < 0,20 Zn, 0,05-0,15 innych pierwiastków, reszta Al, amerykański silumin AA 336.0: 11,0-13,0 Si, 0,5-1,5 Cu, 0,7-1,3 Mg, 2,0-3,0 Ni, < 0,35 Mn, < 0,25 Ti, < 0,05 innych pierwiastków, reszta Al, angielski LM13: 10,0-13,0 Si, 0,7-1,5 Cu, 0,8-1,5 Mg, 0,7-2,5 Ni, < 0,5 Mn, < 1,0 Fe, < 0,5 Zn, < 0,20 Ti, reszta Al, włoski AS12GCN: 12,4-13,0 Si, 0,5-1,1 Cu, 1,0-1,4 Mg, 2,0-2,4 Ni, < 0,05 Mn, < 0,6 Fe, < 0,05 Zn, 0,10-0,20 Ti, reszta Al.

Znanym okołoeutektycznym siluminem stopowym stosowanym do produkcji tłoków silników spalinowych jest silumin EN AC-48000 składający się, w % wagowych, z 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.

W znanych siluminach przeznaczonych na tłoki średnio- i wysoko obciążonych silników spalinowych zawartości miedzi wahają się od 0,5 do 4,5% wagowych, a niklu od 0,5 do 3,0% wagowych, z tym że ilość przynajmniej jednego z tych dwóch dodatków stopowych przewyższa 2,0% wagowych. Stosunek Cu : Ni w tych stopach zawarty jest w bardzo szerokich granicach 0,15-9,0 : 1,0, natomiast stosunek Mn : Fe < 0,5 : 1,0. W znormalizowanym stopie EN AC-AISi12CuNiMg średnie zawartości Cu i Ni są na poziomie ok. 1% wagowych a stosunek Cu : Ni mieści się w granicach 0,60-2,20 : 1,0, i jednocześnie stosunek Mn : Fe jest poniżej 0,5 : 1,0.

Znany z opisu US 4434014 silumin przeznaczony na tłoki posiada ulepszone właściwości, charakteryzuje się szczególnie wysokim stopniem stabilności wymiarowej, i ma następujący skład chemiczny, w % wagowych: 12,0-15,0 Si, 1,5-5,5 Cu, 1,0-3,0 Ni, 0,1-1,0 Mg, 0,1-1,0 Fe, 0,1-0,8 Mn, 0,01 -0,1 Zr, 0,01-0,1 Ti, 0,001-0,1 Sr, reszta Al.

Znany z opisu PL179730 wieloskładnikowy silumin o następującym składzie chemicznym, w % wag.: 2,0-27,0 Si, 0,10-5,00 Cu, 0,10-2,00 Mg, 0,10-4,00 Ni, < 1,50 Fe, < 1,00 Mn, < 0,40 Ti, < 4,00 Zn, < 0,60 Cr, < 1,20 Co; < 0,20 Sn, charakteryzuje się tym, iż zawiera dodatkowo 0,01 : 2,00 V, 0,01: 2,00 W, < 2,00 Mo, < 1,50 Nb, resztę stanowi aluminium.

Znane okołoeutektyczne siluminy typu tłokowego z niklem charakteryzują się następującymi właściwościami: żarowytrzymałością - ocenianą czasową granicą wytrzymałości na długotrwałe obciążenie = 35-50 MPa i/lub długotrwałą twardością na gorąco = 12,0-15,0 HB,

Rm = 180-260 MPa, Rp0,2 = 150-220 MPa, twardością według Brinella 85-135 HB, A5 = 0,2-1,5%, odpornością na zmęczenie mechaniczne Zg = 80-150 MPa, = 60-85 MPa, = 30-40 MPa, _A35 o ⁰ c = 2-10%, a^-3 o o °c = 20,5-21,5-10^-6 K^-1, «3®°' ° ^c = 23,0-25,0-10^-6 K^-1 trwałymi zmianami wymiarowymi = 0,10 - 1,0.

Odlewniczy okołoeutektyczny silumin, według wynalazku, składa się, w % wagowych, z 11,0 -13,5 Si, 2,00-2,40 Cu, 2,10-2,50 Ni, 0,50-0,70 Mg, 0,40-0,70 Mn, zanieczyszczeń w postaci < 0,80 Fe, < 0,50 Zn, < 0,10 Sn i innych pierwiastków w ilości do 0,30, reszta Al, przy czym stosunek Cu : Ni = 0,80-1,25 : 1,0 i jednocześnie stosunek zawartości Mn do Fe spełnia warunek 0,5 < Mn : Fe < 1,5.

W innym korzystnym rozwiązaniu odlewniczy okołoeutektyczny silumin, według wynalazku, składa się, w % wagowych, z 11,0-13,0 Si, 2,00-2,40 Cu, 2,10-2,50 Ni, 0,50-0,70 Mg, 0,40-0,70 Mn, oraz z 0,001-0,500 pierwiastków z IIIB-VB grupy i 4-7 okresu układu okresowego i/lub B, i/lub pierwiastków z IA i IIA grupy i 2-7 okresu układu okresowego i/lub As i/lub Sb i/lub Pb i/lub Bi, i/lub pierwiastków z IVA-VIA i 2-6 układu okresowego, 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 Cu : Ni = 0,80-1,25 : 1,0 i jednocześnie stosunek zawartości Mn do Fe spełnia warunek 0,5 < Mn : Fe < 1,5.

PL 218 946 B1

Korzystnie, pierwiastkiem z IIIB-VB i 4-7 okresu układu okresowego jest Ti i/lub Zr, i/lub Sc i/lub B, i/lub lantanowce i/lub aktynowce.

Korzystnie, pierwiastkiem z IA-lIA grupy i 2-7 okresu układu okresowego jest Na i/lub K i/lub Sr. Korzystnie, pierwiastkiem z IV-VIA grupy i 2-6 okresu układu okresowego jest P i/lub S. Odlewniczy okołoeutektyczny silumin według wynalazku, oprócz aluminium i krzemu zawiera jednocześnie dodatki miedzi i niklu w ilości powyżej 2,0% wagowych, i jako celowo wprowadzany dodatek stopowy mangan w ilości od 0,4 do 0,7% wagowych. Zachowanie proporcji Cu : Ni oraz Mn : Fe skutkuje otrzymaniem żądanych właściwości mechanicznych siluminu. W mikrostrukturze siluminu kształtuje się stabilny układ faz niklowych - T(AI₇Cu₄Ni), e(AI₃Ni) i p(AI₉NiFe). Odpowiedni poziom zawartości manganu sprzyja powstawaniu zwartych faz α-AISiFeMn [AI₁₅(Mn,Fe)₃Si₂], polepszających nie tylko plastyczne właściwości siluminu, a także stabilność wymiarową względem odwracalnych i nieodwracalnych zmian wymiarowych w warunkach obciążeń cieplnych.

Odlewniczy okołoeutektyczny silumin, według wynalazku, charakteryzuje się odpowiednio wysokim poziomem żarowytrzymałości, wytrzymałości i plastyczności w próbie rozciągania, twardości i odporności na zmęczenie cieplno-mechaniczne.

Właściwości odlewniczego okołoeutektycznego siluminu według wynalazku są następujące: = 45-55 MPa i/lub długotrwała twardość na gorąco = 13,5-14,5 HB, Rm =

170-240 MPa, Rp0,2 = 150-220 MPa, twardość według Brinella 90-140 HB, A5 = 0,1-1,5%, odporność na zmęczenie mechaniczne Zg = 80-140 MPa, MPa, = 65-85 MPa, = 35-45 MPa, = 2-10%, ^{3 0 0}°^c = 20,0-21,5-10^-6 K^-1, c$°⁰°^c= 22,5-24,0-10^-6 K^-1 trwałe zmiany wymiarowe

I ^V/Vo3' . I °l⁵%

Wprowadzen ie do składu odlewniczego okołoeutektycznego siluminu pierwiastków spośród IIIB-VB grupy i 4-7 okresu układu okresowego/lub B powoduje rozdrobnienie ziaren a_Al roztworu stałego. Pierwiastki z IA i II grupy i 2-7 okresu układu okresowego i/lub As i/lub Sb i/lub Pb i/lub Bi powodują modyfikację eutektyki krzemowej (a_Al + p_Si). Pierwiastki z IVA-VIA grupy i 2-6 okresu układu okresowego powodują rozdrobnienie kryształów eutektyki krzemowej. Rozdrobnienie ziaren a_Al roztworu stałego oraz eutektyki krzemowej (a_Al + p_Si) powoduje zwiększenie wytrzymałości R_m, R_p0]2 a szczególnie plastyczności A5, co skutkuje zazwyczaj wzrostem odporności stopu na cieplno-mechaniczne zmęczenie. Wartości parametrów żarowytrzymałości oraz twardości w tym przypadku pozostają niezmienione lub ulegają nieznacznemu obniżeniu. Pierwiastki metali alkalicznych oraz metali ziem alkalicznych powodują zwrócenie charakteru danego stopu w stronę siluminów podeutektycznych, z większym udziałem fazy aAl- roztworu stałego. Wprowadzenie P lub S ukierunkowuje proponowany stop w stroną siluminu nadeutektycznego, z niewielką ilością wydzieleń kryształów krzemu pierwotnego, przy tym krzem eutektyczny ma charakter struktury ziarnistej. Jego celem jest podwyższenie żarowytrzymałości oraz wysokotemperaturowej wytrzymałości zmęczeniowej, a także polepszenie trybologicznych właściwości, głównie odporności na ścieranie. Ziarnisty charakter eutektyki krzemowej zmniejsza ponadto skłonność stopu do tworzenia mikroporowatości skurczowej i gazowej.

Przykłady składu odlewniczego okołoeutektycznego siluminu według wynalazku.

P r z y k ł a d I

Odlewniczy okołoeutektyczny silumin o składzie chemicznym, w % wagowych: 12,25 Si, 2,20 Cu, 2,30 Ni, 0,65 Mg, 0,45 Mn, 0,35 Fe, 0,03 Zn, 0,01 Sn, reszta Al, posiada następujące właściwości:

= 13,7 HB, Rm = 205 MPa, Rp0,2 = 185 MPa, A5 = 0,9%, = 7,3%, twardość wg

Brinella = 105 HB, = 20.9-10^-6 K^-1, = 23,8-10^-6 K^-1, = +0,07%.

P r z y k ł a d II

Odlewniczy okołoeutektyczny silumin o składzie chemicznym, w % wagowych: 12,60 Si, 2,35 Cu, 2,45 Ni, 0,55 Mg, 0,60 Mn, 0,45 Fe, 0,05 Zn, 0,05 Sn, reszta Al, posiada następujące właściwości:

HB

350 C 10/2452/lh = 14,2 HB, Rm = 215 MPa, Rp0,2 = 190 MPa, A5 = 1,1%, = 7,6%, twardość wg

Brinella = 115 HB, = 20,6-10^-6 K^-1, p0,2

300°C _ =23,6-10^-6 K^-1, = +0,04%.

P r z y k ł a d III

Odlewniczy okołoeutektyczny silumin o składzie chemicznym, w % wagowych: 13,00 Si, 2,35 Cu, 2,40 Ni, 0,60 Mg, 0,55 Mn, 0,40 Fe, 0,03 Zn, 0,02 Sn, 0,05 Ti, 0,007 P, reszta Al, posiada następujące właściwości:

PL 218 946 B1

ΗΒ

350°C 10/2452/lh = 13-9 HB. Rm = 225 MPa, Rp0,2 = 195 MPa, A5 = 1,4%, = 8,1%, twardość wg

-6 -1

Brinella = 110 HB, ^{υ υ L} = 20,6-10^-6 K , a£ p0,2 = 23,4-10^-6 K^-1, = -0,03%.

Odlewniczy okołoeutektyczny silumin według wynalazku jest zamiennikiem znormalizowanego siluminu EN AC-48000, w szczególności na tłoki średnio- i wysokoobciążonych silników spalinowych benzynowych, a zwłaszcza wysokoprężnych. Z uwagi na małą skłonność do trwałych zmian wymiarowych, w warunkach zmiennych obciążeń cieplnych, doskonale nadaje się też on na elementy aparatury kontrolno-pomiarowej.

Claims

1. Odlewniczy okołoeutektyczny silumin zawierający Al, Cu, Mg, Mn, Ni i Fe, znamienny tym, że składa się, w % wagowych, z 11,0-13,5 Si, 2,00-2,40 Cu, 2,10-2,50 Ni, 0,50-0,70 Mg, 0,40-0,70 Mn i zanieczyszczeń w postaci < 0,80 Fe, < 0,50 Zn, < 0,10 Sn i innych pierwiastków w ilości do 0,30, reszta Al, przy czym stosunek Cu : Ni = 0,80-1,25 : 1,0 i jednocześnie stosunek zawartości Mn do Fe spełnia warunek 0,5 < Mn : Fe < 1,5.

2. Odlewniczy okołoeutektyczny silumin zawierający Al, Cu, Mg, Mn, Ni i Fe, znamienny tym, że składa się, w % wagowych, z 11,0-13,5 Si, 2,00-2,40 Cu, 2,10-2,50 Ni, 0,50-0,70 Mg, 0,40-0,70 Mn oraz z 0,001-0,500 pierwiastków spośród IIIB-VB grupy i 4-7 okresu układu okresowego i/lub B, i/lub pierwiastków spośród IA i IIA grupy i 2-7 okresu układu okresowego i/lub As i/lub Sb i/lub Pb i/lub Bi, i/lub pierwiastków z IVA-VIA grupy i 2-6 okresu układu okresowego i zanieczyszczeń w postaci < 0,80 Fe, < 0,50 Zn, < 0,10 Sn i innych pierwiastków w ilości do 0,30, reszta Al, przy czym stosunek Cu : Ni = 0,80-1,25 : 1,0 i jednocześnie stosunek zawartości Mn do Fe spełnia warunek 0,5 < Mn : Fe < 1,5.

3. Odlewniczy okołoeutektyczny silumin według zastrz. 2, znamienny tym, że pierwiastkiem z IIIB-VB grupy i 4-7 okresu układu okresowego jest Ti i/lub Zr, i/lub Sc i/lub B, i/lub lantanowce i/lub aktynowce.

4. Odlewniczy okołoeutektyczny silumin według zastrz. 2, znamienny tym, że pierwiastkiem z IA-IIA grupy i 2-7 okresu układu okresowego jest Na i/lub K i/lub Sr.

5. Odlewniczy okołoeutektyczny silumin według zastrz. 2, znamienny tym, że pierwiastkiem z IV-VIA grupy i 2-6 okresu układu okresowego jest P i/lub S.