(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (13) (1) T3 Int.Cl. F16J 9/26 ( ) C22C 37/08 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2011/16 EP B1 (4) Tytuł wynalazku: Silnikowy element konstrukcyjny i zastosowanie stopu żeliwnego na silnikowy element konstrukcyjny (30) Pierwszeństwo: (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2008/1 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 2011/09 (73) Uprawniony z patentu: Federal-Mogul Nürnberg GmbH, Nürnberg, DE (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 WOJCIECH KOŁODZIEJ, Gorzyce, PL MAREK SKOWRON, Sandomierz, PL KAZIMIERZ MARSZALIK, Gorzyce, PL HOMI D. JIJINA, Novi, US LASZLO PELSOECZY, Burscheid, DE KLAUS LADES, Nürnberg, DE (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Teresa Szlagowska-Kiszko POLSERVICE KANCELARIA RZECZNIKÓW PATENTOWYCH SP. Z O.O. ul. Bluszczańska Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 80P28042PL00 EP B1 Opis Dziedzina techniki [0001] Przedmiotem wynalazku jest silnikowy element konstrukcyjny oraz zastosowanie nowego rodzaju stopu żeliwnego na silnikowy element konstrukcyjny. [0002] W dziedzinie silników spalinowych dla różnych części i określonych obszarów odnośnych części wymagane jest zapewnienie szczególnie dobrych własności w zakresie zużycia. Dotyczy to przykładowo tulei cylindrowych i tłoków silnika. Na tłokach silnika zwłaszcza obszar pierścieniowych rowków wymaga wzmocnienia w celu poprawy parametrów zużycia. Dotyczy to zwłaszcza także elementów nośnych dla pierścieni, które mogą być przewidziane na tłoku silnika, na przykład 1 zalane, w postaci początkowo oddzielnych elementów. Stan techniki [0003] Dla opisanych obszarów z DE A1 znany jest wysokostopowy austenityczny materiał żeliwny, który może mieć różne składy. 20 [0004] DE A1 opisuje dla korpusu hamulca materiał, który może zawierać cyrkon. Przedstawienie wynalazku [000] U podstaw wynalazku leży zadanie opracowania silnikowego elementu konstrukcyjnego ulepszonego pod względem 2 parametrów zużycia, oraz zaproponowanie zastosowania stopu żeliwnego, za pomocą którego można wytwarzać ulepszony silnikowy element konstrukcyjny.

3 2 [0006] Zadanie to rozwiązano po pierwsze za pomocą silnikowego elementu konstrukcyjnego opisanego w zastrzeżeniu 1. [0007] Zgodnie z tym nowego rodzaju silnikowy element konstrukcyjny, w przypadku którego może chodzić przykładowo o tuleję cylindra, tłok silnika lub jego część, taką jak na przykład element nośny dla pierścienia lub tuleję piasty tłoka, ze stopu żeliwnego, który zawiera cyrkon jako składnik stopowy w ilości 0,1% lub mniej. Przy analizie wykonanego w ten sposób silnikowego elementu konstrukcyjnego okazało się, że cyrkon w korzystny sposób działa jako pierwiastek węglikotwórczy, tworząc w szczególności drobne i równomiernie rozłożone węgliki stopowe w porównaniu do znanych dotychczas stopów żeliwnych stosowanych na silnikowe elementy konstrukcyjne. Ponadto ma miejsce fakt, że w wykona- 1 nym z tego rodzaju stopu silnikowym elemencie konstrukcyjnym grafit jest w przeważającej mierze ukształtowany w postaci pasemkowego wydzielenia grafitowego, co dodatkowo poprawia parametry w zakresie zużycia. Cyrkon czyni strukturę bardziej równomierną i jednorodną, co prowadzi do lepszych 20 własności w zakresie zużycia. [0008] Próby pokazały, że właściwa szybkość zużycia, którą zmierzono najpierw w pozasilnikowym teście zużycia, wynosi mniej niż połowę dotychczas stosowanego materiału. Dalszej poprawy materiał według wynalazku dostarcza pod względem 2 współczynnika rozszerzalności cieplnej. Należy przy tym 30 zwrócić uwagę na to, że nowego rodzaju materiał można zastosować na przykład na element nośny dla pierścienia, który można umieścić w tłoku za pomocą zalania. Przy typowej w pracy silnika zmianie temperatur powstają naprężenia termiczne w następstwie różnic współczynników rozszerzalności

4 3 cieplnej materiału elementu nośnego dla pierścienia z jednej strony i materiału tłoka z drugiej strony. Naprężenia te są tym mniejsze, im bardziej zbliżone są współczynniki rozszerzalności cieplnej. Dla materiału według wynalazku stwierdzono, że leży on wyraźnie bliżej współczynnika rozszerzalności cieplnej stopu tłoka niż znane dotychczas materiały. Pozwala to uniknąć naprężeń w obszarze przejściowym pomiędzy zalanym elementem nośnym dla pierścienia i materiałem tłoka, dzięki czemu zredukowana zostaje tendencja do powstawania pęknięć, zaś niebezpieczeństwo, że element 1 nośny dla pierścienia odłączy się, powodując wypadnięcie tłoka, ulega znacznemu zmniejszeniu. [0009] Wreszcie w przypadku materiału według wynalazku stwierdzono większą przewodność cieplną w porównaniu do materiału stosowanego dotychczas. Poprawia to w korzystny sposób odprowadzanie ciepła i doprowadza wskutek tego do redukcji temperatury w rowkach, wobec czego wytwarzany według wynalazku silnikowy element konstrukcyjny jest ulepszony także pod tym względem. 20 [00] Korzystne postaci wykonania silnikowego elementu konstrukcyjnego według wynalazku są opisane w kolejnych zastrzeżeniach. [0011] Jako minimalna ilość użytego według wynalazku jako składnik stopowy cyrkonu przewidziany jest udział wynoszący 2 co najmniej 0,01%. [0012] Przewidziano ponadto zastosowanie niklu jako składnika stopowego, o udziale od 9,0% do 13,%, korzystnie % do 12%.

5 4 [0013] Okazało się ponadto, że dodany według wynalazku cyrkon w postaci węglika cyrkonu, zwłaszcza w kombinacji z węglikami boru i/lub węglikami chromu, tworzy szczególnie stabilne, drobne i równomiernie rozłożone węgliki stopowe. W następstwie tego przewidziano, że materiał silnikowego elementu konstrukcyjnego zawiera bor o udziale 0,1% lub mniej, korzystnie co najmniej 0,00%, i/lub chrom o udziale od 1,0% do 2,6%. [0014] Szczególnie korzystne własności stwierdzono ponadto wówczas, gdy materiał zawiera jako składnik stopowy wapń o udziale 0,01% lub mniej. [001] Z uwagi na strukturę materiał żeliwny według wynalazku ma w korzystny sposób w zasadzie austenityczną strukturę. 1 [0016] Jak wspomniano, parametry dotyczące zużycia można poprawić zwłaszcza w ten sposób, że materiał zawiera grafit, przeważnie w postaci pasemkowego wydzielenia grafitowego. Grafit może ponadto występować jako grafit kulisty lub grafit wermikularny, lub jako grafit wtórny. Udział 20 grafitu w postaci pasemkowych wydzieleń grafitowych wynosi przy tym co najmniej 0% obj., korzystnie co najmniej 7% obj., szczególnie korzystnie co najmniej 8% obj. i jest on równomiernie rozłożony za pomocą cyrkonu lub obróbki modyfikującej. 2 [0017] Opisane powyżej korzystne własności pod względem współczynnika rozszerzalności cieplnej można osiągnąć zwłaszcza wówczas, gdy leży on w zakresie 18,±1 x -6 mm/mm o C w 0 o C i 27,±1 x -6 mm/mm o C w 400 o C.

6 [0018] Pod względem przewodności cieplnej szczególnie korzystne własności stwierdzono wówczas, gdy leży ona w zakresie 29,±1 W/mK w 0 o C i 27,±1 W/mK w 400 o C. [0019] Wynalazek proponuje ponadto w odniesieniu do podobnego stopu, który już ujawniono w związku z elementami nośnymi dla hamulców, zastosowanie stopu żeliwnego, który zawiera cyrkon jako składnik stopowy o udziale co najmniej 0,06 do 0,1% lub mniej, jako materiał zbrojeniowy dla silnikowego elementu konstrukcyjnego, takiego jak tuleja cy- lindrowa lub tłok silnika, zwłaszcza w obszarze rowków pierścieni, szczególnie korzystnie na element nośny dla pierścieni. Zastosowanie tego rodzaju stopu żeliwnego do wytwarzania tulei cylindrowej, tłoka silnika lub elementu nośnego dla pierścienia, lub do zbrojenia obszarów, które w 1 szczególny sposób są narażone na zużycie, takich jak obszar rowków pierścieni tłoka silnika, pozwala wytwarzać opisane powyżej, ulepszone produkty. Krótki opis rysunków [0020] 20 2 fig. 1 fig. 2 ukazuje wykres do porównania współczynników rozszerzalności cieplnej materiału według wynalazku, materiału standardowego i typowego stopu na tłoki; oraz ukazuje wykres do porównania przewodności cieplnej materiału według wynalazku i materiału standardowego. Przykład wykonania [0021] Z użyciem następującego stopu wykonano materiał według wynalazku i przeprowadzono różne próby:

7 6 C: 2,9% Si: 2,2% Mn: 1,% Cr: 1,1% Ni: 11,1% Cu: 7,1% B: 0,01% Zr: 0,08% S: 0,04% P: 0,07% 1 reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia. [0022] Najpierw zmierzono w pozasilnikowym teście zużycia właściwą szybkość zużycia. Dla użytego jako przykład porównawczy materiału standardowego stwierdzono szybkość wynoszącą około 6 x -12 m 3 /Nm. W przypadku materiału według wynalazku wyniosła ona jedynie około 3 x -12 m 3 /Nm. [0023] Ponadto porównano współczynnik rozszerzalności 20 cieplnej materiału według wynalazku ze współczynnikiem rozszerzalności cieplnej materiału standardowego i współczynnikiem rozszerzalności cieplnej typowego stopu na tłoki. Jako materiał standardowy użyto NiCuCr162. Jak wynika z fig. 1, współczynnik rozszerzalności cieplnej stopu na tłoki leży pomiędzy 20, i około 22, x -6 mm/mm o C. W przypadku materiału standardowego współczynnik rozszerzalności 2 cieplnej wynosi pomiędzy około 18,2 i 20 x -6 mm/mm o C. Współczynnik rozszerzalności cieplnej w materiale według wynalazku jest natomiast w całym badanym przedziale temperatur wyższy o około 0,6 x mm/mm o C. Współczynnik rozszerzalności cieplnej leży zatem bliżej współczynnika rozszerzalności cieplnej stopu na tłoki, co pozwala złagodzić

8 7 niekorzystne efekty spowodowane różnicą współczynników rozszerzalności cieplnej pomiędzy stopem na tłoki i stopem na element nośny dla pierścieni. [0024] Wreszcie porównano przewodność cieplną opisanego powyżej materiału standardowego z przewodnością cieplną materiału według wynalazku. Przy tym okazuje się, jak przedstawiono na fig. 2, że materiał według wynalazku ma we wszystkich mierzonych temperaturach przewodność cieplną, która jest o około 0, do 1,0 W/mK wyższa niż przewodność cieplna materiału standardowego. Ciepło powstające w obszarze silnika można dzięki temu lepiej odprowadzać w korzystny sposób. Federal-Mogul Nürnberg GmbH Pełnomocnik:

9 80P28042PL00 EP B1 Zastrzeżenia patentowe 1. Silnikowy element konstrukcyjny, taki jak np. tłok silnika lub jego część, taka jak na przykład element nośny dla pierścienia lub tuleja piasty tłoka, ze stopu żeliwnego, który zawiera cyrkon jako składnik stopowy w ilości co najmniej 0,01% i do 0,1%, a poza tym ma następujący skład: C: 2, 2-3,8% Si: 1,0-2,8% Mn: 1,0 2,0% Cr: 1,0-2,6% Ni: 9,0 13,% Cu:,0 8,% B: maks. 0,1% Nb: maks. 0,4% Ti: maks. 0,3% Mo: maks. 0,% V: maks. 0,% Ca: maks. 0,01% S: maks. 0,% P: maks. 0,08% reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia. 2. Silnikowy element konstrukcyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że stop żeliwny zawiera % do 12% niklu. 3. Silnikowy element konstrukcyjny według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stop żeliwny zawiera bor o udziale co najmniej 0,00%.

10 9 4. Silnikowy element konstrukcyjny według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że materiał żeliwny ma w zasadzie austenityczną strukturę.. Silnikowy element konstrukcyjny według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że stop żeliwny zawiera grafit, przeważnie w postaci pasemkowego wydzielenia grafitowego. 6. Silnikowy element konstrukcyjny według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że stop żeliwny ma współczynnik rozszerzalności cieplnej w zakresie 18,±1 x -6 mm/mm o C w 0 o C i 27,±1 x -6 mm/mm o C w 400 o C. 7. Silnikowy element konstrukcyjny według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że stop żeliwny ma przewodność cieplną w zakresie 29,±1 W/mK w 0 o C i 27,±1 W/mK w 400 o C. 8. Zastosowanie stopu żeliwnego, który zawiera cyrkon jako składnik stopowy w ilości 0,1% lub mniej, co najmniej 0,01%, a poza tym ma następujący skład: C: 2, 2-3,8% Si: 1,0-2,8% Mn: 1,0 2,0% Cr: 1,0-2,6% Ni: 9,0 13,% Cu:,0 8,% B: maks. 0,1% Nb: maks. 0,4% Ti: maks. 0,3% Mo: maks. 0,% V: maks. 0,%

11 Ca: maks. 0,01% S: maks. 0,% P: maks. 0,08% reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia, jako materiału zbrojeniowego dla silnikowego elementu konstrukcyjnego, takiego jak tłok silnika, zwłaszcza w obszarze rowków pierścieni lub tulei piast tłoka, szczególnie korzystnie dla elementu nośnego dla pierścieni. Federal-Mogul Nürnberg GmbH Pełnomocnik:

12