Silumin na odlewy motoryzacyjne i sposób kształtowania jego mikrostruktury i struktury geometrycznej powierzchni zwiekszającej odporność na zużycie

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. C22C 1/02 ( ) B22D 21/04 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Silumin na odlewy motoryzacyjne i sposób kształtowania jego mikrostruktury i struktury geometrycznej powierzchni zwiekszającej odporność na zużycie (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA RZESZOWSKA IM. IGNACEGO ŁUKASIEWICZA, Rzeszów, PL ODLEWNIA CIŚNIENIOWA META-ZEL SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Rzeszów, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/11 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 12/12 (72) Twórca(y) wynalazku: ANTONI WŁADYSŁAW ORŁOWICZ, Głogów Małopolski, PL JAN BETLEJ, Rzeszów, PL MAREK FRANCISZEK MRÓZ, Rzeszów, PL ANDRZEJ TRYTEK, Rzeszów, PL MIROSŁAW TUPAJ, Rzeszów, PL FRANCISZEK PŁOSZAJ, Rzeszów, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Bronisław Trala

2 2 PL B1 Opis patentowy Przedmiotem wynalazku jest wieloskładnikowy silumin stosowany na odlewy motoryzacyjne, zwłaszcza na tuleje silników spalinowych oraz sposób kształtowania jego mikrostruktury i struktury geometrycznej gładzi wymienionych tulei. Dotychczas tuleje silnikowe wytwarzane są najczęściej z żeliwa jako monobloki, jako tuleje oddzielnie odlewane lub jako wtopki żeliwne w blokach ze stopów aluminium-krzem. W książce W. Kozaczewskiego: Konstrukcja grupy tłokowo-cylindrowej, Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2004, jest informacja, że w 1970 roku koncern GMC zastosował w samochodzie Vega 2300 ciśnieniowy odlew monobloku ze stopu aluminium-krzem o zawartości 17% krzemu. Z artykułu pt.: KS Aluminium Technologie AG is the master at making ALUSIL low presure die casting engine blocks, Automotive Industries, October, 2003, wiadomo, że do niektórych silników samochodów firmy MERCEDES BENZ, PORSCHE, JAGUAR, AUDI wytwarzane są monobloki ze stopu AISi17Cu4Mg. Z artykułu pt.: The KS LOKASIL process, Foundry International, March, 1994, a także z artykułu pt.: Otimierter Druckguss für höchstbelastete T6/T7 wärmebehandelte buchsenlose Aluminium-Motorblöcke, Drückguss, nr 2, 2009 i z materiałów firmy KS Aluminium Technologie AG, wiadomo, że w silniku samochodu PORSCHE Boxter zastosowano blok silnikowy wykonany ze stopu aluminium-krzem. W bloku zastosowano wtopki z kompozytu aluminiowego zbrojonego włóknami AI 2 O 3, na których kształtowana jest gładź cylindrów. Artykuł pt.: Applications of 390 alloy an update, AFS Transactions, , , 1984, podaje, że blok silnika Chevrolet Vega wykonany był ze stopu o składzie: 16-18% Si, 4,0-5,0% Cu, 0,1% Mn, 0,45-0,65% Mg, 1,3% Fe, 0,1% max Zn, 0,2% max Ti, reszta Al. Z artykułu pt.: Gefügebeeinflussung der Legierung AISi17Cu4Mg durch Calciumcarbidzugabe, Drückguss, 3, 2008, , wiadomo, że monobloki wytwarzane są ze stopu aluminium o składzie: 16-18% Si, 4-5% Cu, 0,5-0,6% Mg, 0,3% Fe, 0,2% Ti, 0,15% Mn, 0,10% Zn. Jak z powyższego wynika z uwagi na aspekt ekologiczny rośnie udział stopów aluminium-krzem w przemyśle motoryzacyjnym, gdyż pozwala to na obniżenie zużycia paliwa. Dotychczasowe osiągnięcia w tym zakresie nie są w pełni satysfakcjonujące, gdyż odporność na zużycie gładzi cylindrycznych nie w pełni dorównuje tulejom żeliwnym. Okazuje się, że można znacznie poprawić odporność na zużycie poprzez ukształtowanie odpowiedniej mikrostruktury, która zapewni strukturę geometryczną powierzchni, gwarantującą korzystniejszy kształt i rozłożenie kieszeni smarnych. W kieszeniach smarnych, znajdujących się pomiędzy wydzieleniami krzemu, tworzącymi powierzchnię nośną, gromadzi się środek smarny, a podczas pracy pary trącej również nanocząsteczki pierwiastków stopowych, będących produktami zużycia, tworząc ciągłą warstwę ochronną o właściwościach przeciwtarciowych i przeciwzużyciowych. Celem wynalazku było opracowanie stopu aluminium-krzem oraz jego mikrostruktury i struktury geometrycznej powierzchni gładzi, zapewniającej właściwości użytkowe tulei cylindrowych nie gorsze od właściwości użytkowych tulei żeliwnych. Nieoczekiwanie stwierdzono, że stop aluminium-krzem, zawierający odpowiednią zawartość krzemu oraz odpowiednią zawartość miedzi, manganu, magnezu, niklu, wanadu, chromu, żelaza, tytanu, boru i fosforu, krystalizujący w warunkach zapewniających szybkość chłodzenia w zakresie temperatury Iikwidus-solidus, która pozwala uzyskać wydzielenia krzemu pierwotnego o odpowiedniej długości, cechuje się wysoką odpornością na zużycie ścierne w warunkach smarowania po odpowiednim przygotowaniu powierzchni gładzi poprzez honowanie i wytrawienie. Założony cel spełnia stop zawierający w procentach masowych 0,1% P, 0,1% B, 0,1% Ti, 0,5 0,8% Fe, 0,4 0,6% Mn, 0,5 1,5% Mg, charakteryzujący się zgodnie z wynalazkiem tym, że zawiera również w procentach wagowych 27-33% Si, 1,4-4,5% Cu, 1,0-1,5% Ni, 0,3-0,5% V, 0,2-0,6% Cr; pozostałość stanowi Al. Sposób kształtowania jego mikrostruktury umożliwiającej uzyskanie oczekiwanej struktury geometrycznej powierzchni zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że odlewy wykonuje się zapewniając szybkość chłodzenia w zakresie temperatury Iikwidus-solidus od 500 C/s do 6 C/s i uzyskanie wydzieleń krzemu pierwotnego o maksymalnej długości od 10 m do 80 m. Istnieje możliwość uzyskania wymaganej mikrostruktury stosując znacznie niższe szybkości chłodzenia w zakresie Iikwidus solidus niż wcześniej wymienione, poddając robocze powierzchnie odlewu zabiegowi nadtapiania strumieniem plazmy stosując natężenie prądu od 50 A do 300 A i prędkość skanowania łukiem elektrycznym od 100 mm/min. do 1000 mm/min., Iub zabiegowi nadtapiania laserem o mocy 0,5-5 kw stosując prędkość skanowania od 2 m/min. - 8 m/min.

3 PL B1 3 W celu ukształtowania wymaganej struktury geometrycznej powierzchni gładzi zwiększającej odporność na zużycie ścierne, zgodnie z wynalazkiem, gładzi się ją do uzyskania parametru wysokościowego S t, który stanowi odległość pomiędzy linią wzniesień i linią wgłębień, w granicach 1-2 m, następnie wygładzoną powierzchnię trawi się elektrolitycznie wodnym 5 10% roztworem azotanu sodu lub 5 10% wodnym roztworem wodorotlenku sodu, lub wodnym 1-5% roztworem kwasu fluorowodorowego stosując napięcie prądu 5-15 V, gęstość prądu A/dm 2 przez 20 sekund do 10 minut uzyskując wartość wcześniej wymienionego parametru S t 3 m w przypadku materiału o maksymalnej długości wydzieleń krzemu pierwotnego równej 10 m, do S t = 15 m w przypadku materiału o maksymalnej długości wydzieleń krzemu pierwotnego równej około 80 m. W rezultacie uzyskania siluminu, którego mikrostrukturę można uzyskać przez odpowiednie zabiegi w czasie odlewania lub po ukształtowaniu odlewu - zawierającą wydzielenia krzemu o maksymalnej długości od 10 m do 80 m w osnowie aluminium umocnionej pierwiastkami stopowymi i w dalszej obróbce honowaniem i trawieniem elektrolitycznym uzyskujemy strukturę geometryczną powierzchni zawierającą jedynie wydzielenia krzemu. Pomiędzy wydzieleniami krzemu tworzącymi powierzchnie nośną gładzi kształtują się zagłębienia, w których gromadzi się środek smarny, a podczas pracy pary trącej również nanocząsteczki pierwiastków stopowych będących produktami zużycia, tworząc ciągłą warstwę ochronną o właściwościach przeciwtarciowych i przeciwzużyciowych. Przedmiot wynalazku ilustrują poniższe przykłady: P r z y k ł a d 1 likwidus-solidus wynoszącą 10 C/s. I maxsi 20 m. Po wygładzeniu powierzchni próbek, dla uzyskania wartości parametru S t 1 2 m, wykonano trawienie elektrolityczne w 10% wodnym roztworze NaNO 3, w czasie 35 sekund dla wytrawienia osnowy aluminiowej, w celu utworzenia zbiorników na olej smarujący. Struktura geometryczna tak uzyskanej powierzchni charakteryzowała się parametrem wysokościowym S t 5 m. Badania pary trącej próbka - chromowana przeciwpróbka stalowa wykonano w warunkach tarcia ze smarowaniem, w czasie 100 godzin, przy obciążeniu siłą 200 N i częstotliwości wzajemnego przemieszczania się względem siebie równej 33 Hz. Wyniki badań emisji akustycznej wykazały mniejszą podatność do zacierania się próbek ze stopu aluminium, w porównaniu do próbek o powierzchni przygotowanej techniką honowania, wykonanych z żeliwa stosowanego na tuleje silnikowe. Pomiary zmian parametru wysokościowego S t wykazały, że próbki ze stopu aluminium po badaniach zużycia ściernego charakteryzowały się parametrem wysokościowym S t 2,93 m, a próbki z żeliwa S t 6,8 m. Parametr wysokościowy próbek z żeliwa w stanie przed badaniami zużycia ściernego wynosił S t 12,4 m. P r z y k ł a d 2 likwidus-solidus wynoszącą 6 C/s. I maxsi 80 m. Po wygładzeniu powierzchni próbek, dla uzyskania wartości parametru S t 1 2 m, wykonano trawienie elektrolityczne w 10% wodnym roztworze NaNO 3, w czasie 40 sekund dla wytrawienia osnowy aluminiowej, w celu utworzenia zbiorników na olej smarujący. Struktura geometryczna tak uzyskanej powierzchni charakteryzowała się parametrem wysokościowym S t 11,8 m. Badania pary trącej próbka - chromowana przeciwpróbka stalowa wykonano w warunkach tarcia ze smarowaniem, w czasie 100 godzin, przy obciążeniu siłą 200 N i częstotliwości wzajemnego przemieszczania się względem siebie równej 33 Hz. Wyniki badań emisji akustycznej wykazały mniejszą podatność do zacierania się próbek ze stopu aluminium, w porównaniu do próbek o powierzchni przygotowanej techniką honowania, wykonanych z żeliwa stosowanego na tuleje silnikowe. Pomiary zmian parametru wysokościowego S t wykazały, że próbki ze stopu aluminium po badaniach zużycia ściernego charakteryzowały się parametrem wysokościowym S t 6,76 m, a próbki z żeliwa S t 6,8 m. Parametr wysokościowy próbek z żeliwa w stanie przed badaniami zużycia ściernego wynosił S t 12,4 m.

4 4 PL B1 Biorąc pod uwagę łatwiejszą realizację wytwarzania stopu bez wymuszonego reżimu technologii wytwarzania zapewniającego drobne wydzielenia krzemu, można stosować technikę uszlachetniania powierzchniowego odlewów skoncentrowanym strumieniem ciepła. Ilustrują to dwa przykłady: P r z y k ł a d 3 likwidus-solidus wynoszącą 4 C/s. większą od 80 m. Następnie powierzchnię odlewu nadtapiano metodą GTAW stosując natężenie prądu 300 A i prędkość skanowania tukiem elektrycznym 200 mm/min. Dzięki temu uzyskano mikrostrukturę charakteryzującą się parametrem strukturalnym I maxsi 15 m. Po wygładzeniu powierzchni próbek, dla uzyskania wartości parametru S t 1 2 m, wykonano trawienie elektrolityczne w 10% wodnym roztworze NaNO 3, w czasie 40 sekund dla wytrawienia osnowy aluminiowej, w celu utworzenia zbiorników na olej smarujący. Struktura geometryczna tak uzyskanej powierzchni charakteryzowała się parametrem wysokościowym S t 4,4 m. Badania pary trącej próbka - chromowana przeciwpróbka stalowa wykonano w warunkach tarcia ze smarowaniem, w czasie 100 godzin, przy obciążeniu siłą 200 N i częstotliwości wzajemnego przemieszczania się względem siebie równej 33 Hz. Wyniki badań emisji akustycznej wykazały mniejszą podatność do zacierania się próbek ze stopu aluminium, w porównaniu do próbek o powierzchni przygotowanej techniką honowania, wykonanych z żeliwa stosowanego na tuleje silnikowe. Pomiary zmian parametru wysokościowego S t wykazały, że próbki ze stopu aluminium po badaniach zużycia ściernego charakteryzowały się parametrem wysokościowym S t = 2,56 m, a próbki z żeliwa St 6,2 m. Parametr wysokościowy próbek z żeliwa w stanie przed badaniami zużycia ściernego wynosił S t 13,6 m. P r z y k ł a d 4 likwidus-solidus wynoszącą 3 C/s. większą od 80 m. Następnie powierzchnię odlewu nadtapiano laserem CO 2 o mocy 2,5 kw, do pracy ciągłej stosując prędkość skanowania 4 m/min. Dzięki temu uzyskano mikrostrukturę charakteryzującą się parametrem strukturalnym I maxsi 10 m. Po wygładzeniu powierzchni próbek, dla uzyskania wartości parametru S t 1 2 m, wykonano trawienie elektrolityczne w 10% wodnym roztworze NaNO 3, w czasie 40 sekund dla wytrawienia osnowy aluminiowej, w celu utworzenia zbiorników na olej smarujący. Struktura geometryczna tak uzyskanej powierzchni charakteryzowała się parametrem wysokościowym S t 3,00 m. Badania pary trącej próbka z tak przygotowaną powierzchnią trącą - chromowana przeciwpróbka stalowa wykonano w warunkach tarcia ze smarowaniem, w czasie 100 godzin, przy obciążeniu siłą 200 N i częstotliwości wzajemnego przemieszczania się względem siebie równej 33 Hz. Wyniki badań emisji akustycznej wykazały mniejszą podatność do zacierania się próbek ze stopu aluminium, w porównaniu do próbek o powierzchni przygotowanej techniką honowania, wykonanych z żeliwa stosowanego na tuleje silnikowe. Pomiary zmian parametru wysokościowego S t wykazały, że próbki ze stopu aluminium po badaniach zużycia ściernego charakteryzowały się parametrem wysokościowym S t 2,05 m, a próbki z żeliwa S t 6,0 m. Parametr wysokościowy próbek z żeliwa w stanie przed badaniami zużycia ściernego wynosił S t 12,4 m. Zastrzeżenia patentowe 1. Silumin stosowany na odlewy motoryzacyjne, zwłaszcza tuleje silników samochodowych, zawierający w procentach masowych - 0,1% P, 0,1% B, 0,1% Ti, 0,5-0,8% Fe, 0,4-0,6% Mn, 0,5-1,5% Mg, znamienny tym, że zawiera w procentach masowych 27-33% Si, 1,4-4,5% Cu, 1,0-1,5% Ni, 0,3-0,5% V, 0,2-0,6% Cr, reszta Al.

5 PL B Sposób kształtowania mikrostruktury i struktury geometrycznej powierzchni siluminu, znamienny tym, że odlewy wykonuje się zapewniając szybkość chłodzenia w zakresie temperatur Iikwidus- solidus od 500 C/s do 6 C/s i uzyskanie wydzieleń krzemu pierwotnego o maksymalnej długości od 10 m do 80 m. 3. Sposób kształtowania mikrostruktury i struktury geometrycznej powierzchni siluminu według zastrz. 2, znamienny tym, że szybkość chłodzenia jest niższa od 6 C/s a powierzchnie robocze odlewu poddaje się zabiegowi nadtapiania strumieniem plazmy stosując natężenie prądu od 50 A do 300 A i prędkość skanowania łukiem elektrycznym od 100 mm/min. do 1000 mm/min., lub zabiegowi nadtapiania laserem o mocy 0,5-5 kw stosując prędkość skanowania od 2 m/min. do 8 m/min. 4. Sposób kształtowania mikrostruktury i struktury geometrycznej powierzchni gładzi zwiększającej odporność na zużycie ścierne, o mikrostrukturze uzyskanej według zastrz. 2 lub 3, znamienny tym, że gładzi się ją do uzyskania parametru S t, który stanowi odległość pomiędzy linią wzniesień i linią wgłębień, w granicy 1-2 m, następnie wygładzoną powierzchnię trawi się elektrolitycznie wodnym 5-10% roztworem azotanu sodu lub 5-10% wodnym roztworem wodorotlenku sodu, lub wodnym 1-5% roztworem kwasu fluorowodorowego stosując napięcie prądu 5-15 V, gęstość prądu A/dm 2 przez 20 sekund do 10 minut uzyskując wartość wcześniej wymienionego parametru S t 3 m w przypadku materiału o maksymalnej długości wydzieleń krzemu pierwotnego równej 10 m do S t 3 m w przypadku materiału o maksymalnej długości wydzieleń krzemu pierwotnego równej około 80 m.

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)