BEZNIKLOWE SILUMINY TŁOKOWE O PODWYŻSZONEJ STABILNOŚCI WYMIAROWEJ

Transkrypt

1

2 EDWARD CZEKAJ BEZNIKLOWE SILUMINY TŁOKOWE O PODWYŻSZONEJ STABILNOŚCI WYMIAROWEJ INSTYTUT ODLEWNICTWA KRAKÓW 2011

3 Recenzenci wydawniczy: dr hab. inż. Witld K. Krajewski, prf. nadzw. AGH prf. dr hab. inż. Jerzy J. Sbczak Opracwanie redakcyjne: inż. Marta Knieczna mgr Anna Samek-Bugn Skład kmputerwy: mgr Anna Samek-Bugn Prjekt kładki: mgr inż. Jan Witkwski Cpyright by Instytut Odlewnictwa, Kraków 2011 WSZELKIE PRAWA ZASTRZEŻONE Całść wydawnictwa ani żadna jeg część nie mże być pwielana ani rzpwszechniana bez pisemnej zgdy psiadacza praw autrskich ISBN Przygtwanie i druk: Instytut Odlewnictwa, ul. Zakpiańska 73, Kraków Wydanie I. Nakład 100 egz.

4 Spis treści Streszczenie... 5 Summary... 7 Wykaz ważniejszych znaczeń i symbli Wprwadzenie Ogólna charakterystyka tematu pracy Eknmiczne aspekty zastswań niklu w stpach Cel, teza i zakres prac własnych Bezniklwe siluminy tłkwe w systemie dlewniczych stpów aluminium Siluminy Siluminy tłkwe Oszczędnściwe siluminy tłkwe Rys histryczny zastswań na tłki stpów aluminium, w tym bezniklwych Współczesne mnlityczne szczędnściwe siluminy tłkwe Bezniklwe siluminy tłkwe specjalneg przeznaczenia Nikiel w siluminach stpwych raz jeg zamienniki Wpływ niklu na strukturę, fizykchemiczne i dlewnicze właściwści siluminów Selekcja ddatków stpwych w syntezie siluminów tłkwych Ocena rli manganu jak ptencjalneg zamiennika niklu Cynk w bezniklwych siluminach wytwarzanych z surwców wtórnych Wpływ cynku na właściwści aluminium raz stpów układu Al-Si Siluminy tłkwe z cynkiem Stabilnść wymiarwa siluminów tłkwych Termdynamiczne kryteria stabilnści wymiarwej stpów Parametry rzszerzalnści cieplnej jak miary dwracalnych dkształceń Niedwracalne (trwałe) zmiany wymiarwe w warunkach ciepln-mechanicznych bciążeń Trwałe zmiany wymiarwe pwdwane prcesami wydzieleniwymi Kalescencja i kagulacja faz krzemwych w warunkach wygrzewania Trwała niestabilnść wymiarwa pwdwana pwstawaniem dyfuzyjnych pęcherzy gazwych Odkształcenia relaksacyjne jak efekt działania naprężeń Analiza warunków pracy tłków silników spalinwych raz stawiane wbec ich twrzyw wymagania Pdstawwe funkcje, warunki pracy raz rzwiązania knstrukcyjne współczesnych tłków Specyfikacja wymagań stawianych w stsunku d twrzyw tłkwych Właściwści mechaniczne Parametry wytrzymałści, twardści i plastycznści w krótktrwałych próbach Żarwytrzymałść jak miara długtrwałej statycznej dprnści mechanicznej w pdwyższnej temperaturze Parametry dprnści na zmęczenie ciepln-mechaniczne Pzstałe właściwści fizykchemiczne raz technlgiczne Kmplekswe wskaźniki jakści twrzyw tłkwych Nrmatywne wymagania Prgram eksperymentalnych badań raz jeg realizacja Matematyczny plan dświadczeń dla stpów układu Al-Si-Cu-Mg-Mn-Fe

5 7.2. Charakterystyka prównawczych siluminów tłkwych z niklem Klasyczny plan dświadczeń dla bezniklwych siluminów ze zmienną zawartścią cynku Wyknanie wytpów dświadczalnych Metdyka badań Badania mechanicznych właściwści Ocena długtrwałej twardści na grąc Określenie pdstawwych mechanicznych właściwści (R m, R p0,2, A 5, Z i HB) w pkjwej raz pdwyższnej temperaturze Bezpśrednie i pśrednie wskaźniki dprnści na ciepln-mechaniczne zmęczenie Parametry stabilnści wymiarwej w warunkach bciążeń cieplnych Wyznaczenie charakterystyk dwracalnych zmian wymiarwych w badaniach dylatmetrycznych Dwa spsby ceny trwałych (niedwracalnych) zmian wymiarów Charakterystyka badań metalgraficznych Zastswanie różnicwej kalrymetrii skaningwej d sprecyzwania składu fazweg 114 badanych siluminów Synteza bezniklwych siluminów tłkwych Pdstawwe wyjściwe parametry syntezy Mdelwanie matematyczne Quasi-jednczynnikwy mdel raz jeg graficzna prezentacja Wykresy quasi-jednczynnikweg wpływu ddatków stpwych na wyjściwe kntrlwane parametry bezniklwych siluminów tłkwych raz ich analiza Wielkryterialna ptymalizacja w przestrzeni wielwymiarwej Określenie granicznych wartści dla wielkści wyjściwych raz matematyczne sfrmułwanie ptymalizacyjneg zadania Algrytm i prgram ptymalizacyjny Nwe stpy jak wynik ptymalizacji kmputerwej Ocena mżliwści wykrzystania sztucznych sieci neurnwych d syntezy stpów na przykładzie bezniklwych siluminów tłkwych Wyjaśnienie przyczyn zwiększnej stabilnści wymiarwej bezniklwych siluminów stpwych względem trwałych dkształceń Wyniki i analiza badań dtyczących wpływu zmiennej zawartści cynku na kntrlwane parametry bezniklweg siluminu stpweg Dyskusja zmian właściwści stpu AlSi12,5Cu2,5Mg1,0Mn0,6Fe0, Określenie stpnia ddalenia bezniklwych siluminów z różną zawartścią cynku d znrmalizwanych stpów z niklem Analiza składu fazweg stpu AlSi12,5Cu2,5Mg1,0Mn0,6Fe0,7 w zależnści d zawartści w nim cynku Weryfikacja nw pracwanych bezniklwych siluminów typu tłkweg w badaniach labratryjnych raz eksplatacyjnych Kntrlne badania labratryjne Wyniki badań właściwści mechanicznych Badania kalrymetryczne Badania mikrstrukturalne Ocena bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn(P) w badaniach eksplatacyjnych Wytwrzenie raz badania próbnej partii tłków Wyniki testu silnikweg tłków na hamwni Pdsumwanie i wniski kńcwe Literatura Załącznik

6 EDWARD JAN CZEKAJ Bezniklwe siluminy tłkwe pdwyższnej stabilnści wymiarwej Streszczenie Niniejsze studium analityczn-eksperymentalne pracwane zstał na pdstawie dstępnych krajwych i zagranicznych materiałów źródłwych, jak też wyników badań własnych dtyczących prblematyki analizy i syntezy szczędnściwych głównie bezniklwych siluminów tłkwych, z uwzględnieniem isttnych dla teg typu twrzyw parametrów stabilnści wymiarwej. W części wprwadzającej (rzdział 1) skncentrwan się na przyczynach pdjęcia daneg tematu; następnie scharakteryzwan eknmiczne aspekty zastswań niklu w stpach metali; z klei w pdrzdziale 1.3 kreśln: cel, tezę raz zakres pracwania. W rzdziale 2 dknan zestawienia i analizy składu chemiczneg istniejących w przeszłści raz becnie stswanych na świecie bezniklwych raz z graniczną zawartścią niklu stpów aluminium typu tłkweg. W klejnych fragmentach pracwania (rzdział 3) rzpatrzn na pdstawie danych pchdzących ze specjalistycznej literatury charakterze metalznawczym zagadnienia dtyczące ceny wpływu niklu na strukturę, fizykchemiczne raz technlgiczne właściwści aluminium, a także stpów układu Al-Si. Przegląd dstępnych materiałów źródłwych pkazał, że wśród specjalistów brak jest jednliteg pglądu na temat rli Ni w siluminach tłkwych. W knsekwencji teg pstanwin przeprwadzić analizę ptrójnych i bardziej złżnych układów równwagwych typu Al-Si-X-Y... (gdzie: X, Y,... pierwiastki układu kresweg, jak ptencjalne ddatki stpwe) w celu pszukiwania innych umacniających faz międzymetalicznych, zastępujących fazy z niklem. Zamienników drgieg i deficytweg niklu pszukiwan również pprzez zastswanie współczesnej metdlgii syntezy stpów (pdrzdział 3.2). Kńcwym efektem przeprwadzenia fizykchemicznej i eknmicznej analizy była knstatacja, iż ptencjalnym zamiennikiem niklu w siluminach stpwych mże być mangan. W statnim fragmencie rzdziału 3 (pdrzdział 3.3) pdjęt próbę teretyczneg uzasadnienia mżliwści dknania takiej zamiany. Wytwarzane z dpadów własnych i/lub surwców wtórnych siluminy tłkwe (szczególnie ich bezniklwe warianty), prócz pdwyższnych zawartści żelaza, zawierają nierzadk zwiększne ilści cynku. Dlateg też w rzdziale 4 przeanalizwan wpływ teg pierwiastka (Zn) na fizykchemiczne właściwści aluminium raz stpów układu aluminium-krzem; pdan również przykłady stswania za granicą siluminów tłkwych z cynkiem zawartści dchdzącej d 3%. Teretyczne rzważania zagadnień stabilnści wymiarwej stpów rzpczęt z gólnych termdynamicznych pzycji (pdrzdział 5.1). Pza różnymi fizycznymi w tym mechanicznymi parametrami twrzywa tłkweg, w zakresie jeg rbczej temperatury, za isttne uznan również te związane z szerk rzumianą stabilnścią wymiarwą. W pdrzdziale 5.2 zwrócn uwagę na fizyczny i techniczny współczynnik rzszerzalnści cieplnej jak parametry dwracalnych zmian wymiarwych; natmiast w pdrzdziale 5.3 rzważan mżliwe mechanizmy niedwracalnych (trwałych) dkształceń w stpach na snwie aluminium (w tym szczególnie w siluminach), w warunkach quasi-statycznych i kinetycznych bciążeń cieplnych. Opis warunków pracy tłków silników spalinwych, z punktu widzenia ich cieplnmechanicznych bciążeń w czasie eksplatacji, zaprezentwan w pierwszej części rzdziału 6. W następnym fragmencie pracwania (pdrzdział 6.2) dknan specyfikacji najważniejszych wymagań wysuwanych względem twrzyw tłkwych. 5

7 Prgram eksperymentalnych badań raz spsób jeg realizacji zstały mówine w rzdziale 7. Opracwany plan t rezultat wcześniejszych analiz składu chemiczneg bezniklwych siluminów tłkwych, wyników fizykchemicznej i eknmicznej selekcji ddatków stpwych, a także wyszczególnienia stawianych względem teg typu twrzyw wymagań. Charakterystykę najważniejszych metd badawczych raz wykrzystywanych w eksperymentach urządzeń i aparatury przedstawin w rzdziale 8. Szczegółw przy tym pisan spsby wyznaczania przyspiesznych cen takich parametrów eksplatacyjnych, jak: żarwytrzymałść, trwałe zmiany wymiarwe raz zmęczenie cieplne. Niektóre aspekty natury metdlgicznej dtyczące m.in. matematyczn-statystyczneg mdelwania i numerycznej ptymalizacji, wykrzystania sztucznych sieci neurnwych, a także przeprwadzenia próby silnikwej zaryswane zstały w tematycznie związanych z nimi fragmentach pracwania. Siluminy tłkwe, w tym również bezniklwe, t złżne wielskładnikwe układy, wbec których wysuwanych jest szereg wymagań. Sytuacja ta zmusza badaczy, zajętych prjektwaniem (ang. design) nwych czy ulepszaniem (ang. imprvement) istniejących stpów, d rzwiązywania zadań wielparametrycznej ptymalizacji w przestrzeni wielwymiarwej. W pdrzdziałach zaprezentwany zstał spsób rzwiązywania teg typu zagadnień, z krótką charakterystyką algrytmu i prgramu kmputerweg. W wyniku realizacji planu badań eksperymentalnych, statystycznej bróbki danych pmiarwych raz przeprwadzenia prcedur numerycznej ptymalizacji zsyntezwan cztery nwe bezniklwe siluminy tłkwe układu Al-Si-Cu-Mg-Mn-(Fe) pd- i kłeutektycznej zawartści krzemu, tak na snwie czystych materiałów wsadwych (dla Fe 0,3%), jak też ze zwiększną zawartścią żelaza (średni 0,7%) z mżliwścią ich wytwarzania z surwców wtórnych. Przeprwadzne w pdrzdziale 9.5 rzważania pkazują, że wyniki klasycznych metd ptymalizacji dbrze krespndują z rezultatami uzyskanymi przy zastswaniu sztucznych sieci neurnwych. W statnim fragmencie rzdziału 9 pdjęt próbę wyjaśnienia mniejszych trwałych zmian wymiarwych (w warunkach bciążeń cieplnych) bezniklwych siluminów, w dniesieniu d zmian bserwwanych w przypadku siluminów z niklem. Rzdział 10 zawiera cenę wpływu cynku na kntrlwane właściwści raz mikrstrukturę bezniklweg siluminu AlSi12,5Cu2,5Mg1,0Mn0,6Fe0,7. Pkazan, że dpuszczalna granica zawartści cynku w bezniklwym siluminie, prdukwanym z surwców wtórnych, nie pwinna przekraczać 1,00 1,25%, ażeby jeg właściwści nie dbiegały znacznie d właściwści charakterystycznych dla znrmalizwaneg siluminu z niklem (typu EN AC-48000). Zsyntetyzwane stpy pddane zstały prcedurze sprawdzającej (rzdział 11). Weryfikacja trzymanych nwych rzwiązań materiałwych przeprwadzna była tak w warunkach labratryjnych (na próbkach dświadczalnych, względem pdstawwych właściwści mechanicznych), jak i na tłkach w eksplatacyjnej próbie silnikwej. Wyknan również mikrskpwe raz rentgengraficzne badania mikrstruktury nw pracwanych stpów, a identyfikację faz międzymetalicznych ddatkw wspmagan badaniami różnicwej kalrymetrii skaningwej (DSC). Wynikiem pracy, c dntwan w pdsumwaniu i wniskach kńcwych (rzdział 12), są nie tylk nwe bezniklwe siluminy typu tłkweg, ale także ważne pznawcze i eksperymentalne wyniki dtyczące stabilnści wymiarwej. Jak pkazała analiza materiałów źródłwych raz przeprwadzne eksperymenty, mangan pdbnie jak t ma miejsce w stpach żelaza (stalach) czy miedzi (brązach) również w twrzywach na snwie aluminium stanwi ważną alternatywę dla deficytweg i drgieg niklu. 6

8 EDWARD JAN CZEKAJ Nickel-free pistn silumins f high dimensinal stability Summary This analytical and experimental study was based n the available dmestic and freign literature surces, and n the results f the authr s wn investigatins, regarding the prblems f analysis and synthesis f the saving-type, mainly nickel-free, pistn silumins, allwing fr the parameters f dimensinal stability, imprtant fr materials f this type. In the intrductry part (Chapter 1), attentin was fcussed n explanatin f the reasns which accunted fr this subject t be chsen fr discussin; then the ecnmic aspects f the use f nickel in metal allys were characterised; finally, in Sectin 1.3, the bjective, the thesis and the scpe f the study were specified. Chapter 2 cmpares and analyses the chemical cmpsitins f the, previusly and currently used in the wrld, nickel-free and lw-nickel, pistn-type aluminium allys. In subsequent passages f the study (Chapter 3), based n data frm the specialised literature n metals science, the issues cncerning an assessment f the effect f nickel n the structure and physic-chemical and technlgical prperties f aluminium and aluminium allys frm an Al-Si system were cnsidered. Further identificatin f the subject has shwn that amng experts there is n unifrm view n the rle that nickel is suppsed t play in pistn silumins. Cnsequently it was decided t undertake an analysis f the ternary and mre cmplex equilibrium systems f Al-Si-X-Y... type (where X, Y,... are the elements in peridic table which can act as ptential allying additins) t seek ther reinfrcing intermetallic phases that culd replace the nickel-cntaining nes. The substitutes f expensive and scarce nickel were als searched, mainly in the use f mdern methdlgy f ally synthesis (Sectin 3.2). The final result f an ecnmic and physical-chemical analysis was stating that a ptential substitute fr nickel in allyed silumin can be manganese. In the last passage f Chapter 3 (Sectin 3.3) an attempt was made t theretically justify the pssibility f making such substitutin. Manufactured frm wn waste and/r secndary raw materials, pistn silumins, and especially their nickel-free variants, in additin t increased irn cntent, ften cntain als high amunts f zinc. Therefre, Sectin 4 analyses the impact f this element (Zn) n the physicchemical prperties f aluminium and aluminium-silicn allys; examples f the use f zinccntaining pistn silumins abrad (zinc cntent f up t 3%) are als given. Theretical discussin f the issues f the dimensinal stability f allys started frm general remarks n the system thermdynamics (Sectin 5.1). In additin t varius physical and mechanical parameters f the pistn material within the range f its perating temperatures, as imprtant were als regarded the parameters assciated with a widely understd dimensinal stability. Sectin 5.2 highlights the physical and technical cefficients f thermal expansin, perating as the parameters f reversible dimensinal changes, while in Subsectin 5.3, pssible mechanisms f irreversible (permanent) strain in aluminium-based allys (particularly in silumins) under quasi-static and kinetic thermal lads were cnsidered. Descriptin f the perating cnditins f I.C. engines, cnsidered in terms f the thermal and mechanical lads during peratin, was presented in the first part f Chapter 6. In the next part (Sectin 6.2), the mst imprtant requirements impsed n pistn materials were specified. The plan f experiment and its practical embdiment are the issues discussed in Chapter 7. The develped plan is a result f earlier studies f the chemical cmpsitin f nickel-free pistn silumins, allwing als fr the results f physic-chemical and ecnmic selectin f allying elements with specificatin f the requirements impsed n such materials. 7

9 The descriptin f majr research methds and f the equipment and apparatus used in experiments is prvided in Chapter 8. The methds fr rapid determinatin f the peratinal parameters like creep resistance, permanent dimensinal changes and thermal fatigue were discussed in detail. Sme aspects f the methdlgical nature, t mentin e.g. mathematical and statistical mdelling and numerical ptimisatin, the use f artificial neural netwrks, and engine tests, were utlined in the thematically related fragments f the study. Pistn silumins, including nickel-free variatins, are cmplex multi-cmpnent systems, in respect f which numerus requirements are made. This situatin frces the researchers ccupied with designing f new and/r imprvement f the already existing allys t slve the tasks f multi-parameter ptimisatin in multi-dimensinal space. Sectins present a methd t slve prblems f this type, with shrt characteristics f an algrithm and cmputer prgramme. As a result f the implemented plan f experiment, statistical prcessing f measurement data and numerical ptimisatin prcedures, fur new nickel-free pistn silumins frm an Al-Si-Cu-Mg-Mn-(Fe) system with hyp- and near-eutectic silicn cntent, based n bth pure raw materials [fr Fe 0.3 (max. 0.5)%]) and n materials with increased irn cntent (mean 0.7%) were finally btained in a synthesis, with pssibility f their prductin frm secndary raw materials. The discussin in Sectin 9.5 shws that the results f classical methds f ptimisatin crrespnd well with thse btained by the use f artificial neural netwrks. In the last part f Chapter 9, an attempt was made t explain smaller permanent dimensinal changes (under the cnditins f thermal lads) bserved in nickel-free silumins respective f the changes bserved in nickel-cntaining systems. Chapter 10 prvides an assessment f the impact that zinc is said t have n the cntrlled prperties and micrstructure f a nickel-free AlSi12.5Cu2.5Mg1.0Mn0.6Fe0.7 silumin. It is shwn that the permissible limit f zinc cntent in nickel-free silumin, prduced frm the secndary raw materials, shuld nt exceed %, t ensure that its prperties d nt differ significantly frm thse f a standard nickel-cntaining silumin (type EN AC-48000). Synthesised allys were subjected t cnfirmatry prcedure (Chapter 11). Verificatin f the btained new materials was perfrmed under labratry cnditins (using experimental samples fr the determinatin f basic mechanical prperties) and n pistns in the engine test. Micrmetallgraphy and X-ray diffractin examinatins were perfrmed n the newly develped allys; the identificatin f intermetallic phases was cmpleted with differential scanning calrimetry (DSC). Final utcme f the wrk, as reprted in the summary and cnclusins (Chapter 12), is nt nly the develpment f new nickel-free pistn-type silumins, but als imprtant theretical and experimental results f studies n ally dimensinal stability. As the analysis f reference materials and the cnducted experiments have shwn, manganese similar as in the case f irn allys (steels) and cpper allys (brnzes) als in materials based n aluminium is an imprtant alternative t nickel, the latter ne being bth expensive and in shrt supply. 8

10 Wykaz ważniejszych znaczeń i symbli Litery łacińskie a, b, c parametry sieci krystalicznej faz (związków) międzymetalicznych (Å) a Al parametr liniwy sieci krystalicznej aluminium (cm) a ' α parametr liniwy sieci krystalicznej przesycneg rztwru stałeg (cm) c śr średnia prędkść tłka (m/s) cps liczba zliczeń na sekundę (ang. cunts per secnd) d suma długtrwałych quasi-statycznych (d st ) i zmęczeniwych (d zm ) uszkdzeń w materiale tłka, matematyczny znak różniczki f zależnść funkcjnalna g e jednstkwe zużycie paliwa ((kg kw -1 h -1 ) h gdzina i, j,... indeksy k stała Bltzmanna (1, J K -1 ) l długść próbek dświadczalnych (mm) m masa (g) m c masa próbki w cieczy (g) m p masa próbki w pwietrzu (g) min minuta n liczba elementów (składników), prędkść brtwa (br/min) p ciśnienie (MPa) p e średnie ciśnienie efektywne w kmrze spalania silnika spalinweg (MPa) p p ciśnienie pwietrza (MPa) r Al prmień atmwy aluminium (Å) r d prmień atmwy ddatku (pierwiastka) stpweg (Å) s sekunda t, t temperatura w stpniach Celsjusza ( C), tna (metryczna) t max maksymalna temperatura cyklu cieplneg bciążenia ( C) t min minimalna temperatura cyklu cieplneg bciążenia ( C) t śr średnia temperatura cyklu cieplneg bciążenia ( C) t tł maksymalna temperatura w śrdku denka tłka ( C) x, y, z współrzędne płżenia A 5 wydłużenie względne w temperaturze pkjwej (%) 350 C A 5 wydłużenie względne w temperaturze 350 C (%) ATD analiza termiczna i derywacyjna B i, B ij, B ii rzeczywiste współczynniki mdelu matematyczneg (równania regresji) BS nrma brytyjska (ang. British Standard) C wielkść stała, zawartść składnika stpweg (% at.), przestrzeń C r maksymalna (graniczna) rzpuszczalnść ddatku stpweg w rztwrze stałym w warunkach równwagwych (% at.) C V pjemnść cieplna przy stałej bjętści (J K -1 ml -1 ) D współczynnik dyfuzji (cm 2 s -1 ) D tł zewnętrzna średnica tłka (dm) DSC różnicwa kalrymetria skaningwa (ang. Differential Scanning Calrimetry) E mduł sprężystści Yunga (GPa), funkcja błędu E T punkt przemiany eutektycznej EDS spektrskpia rentgenwska z dyspersją energii (ang. Energy Dispersive X-ray Spectrscpy) F energia swbdna Helmhltza (J), siła (N) 9

11 G energia swbdna Gibbsa (J) H entalpia - ciepł przemiany (J), wyskść słupa rtęci (mm) HB twardść, kreślana spsbem Brinella (HB) t HB długtrwała (1h) twardść na grąc, najczęściej w temperaturze t: 300 lub 350 C 10/2452/1 h (HB) HV twardść, kreślana spsbem Vickersa (MPa) K stpnie Kelvina (K), kryterium KC udarnść - bez karbu (J m -2 ) K nc kryterium naprężeń cieplnych K tł kryterium bciążeń cieplnych tłka L ciekły (ang. Liquid) LME lndyńska giełda metali (ang. Lndn Metal Exchange) L-Ex niskiej rzszerzalnści cieplnej (ang. Lw-Expansin) M masa atmwa lub cząsteczkwa (g), wymiar przestrzeni euklideswej M Al masa atmwa glinu (g) N A stała Avgadra (6, ml -1 ) N f liczba cykli d zniszczenia przy zmęczeniwym charakterze bciążeń N g umwna graniczna liczba cykli w próbie zmęczeniwej N 0 liczba cykli w próbie zmęczenia cieplneg d pjawienia się pęknięcia P znaczenie punktów pmiarwych P T punkt przemiany perytektycznej Q ciepł (J) R stała gazwa (8,3147 J ml -1 K -1 ) R, R 2, R 2 ppraw statystyczne współczynniki krelacji (stpnia dpaswania) R a średnia chrpwatść pwierzchni (μm) R m wytrzymałść na rzciąganie (MPa) R p0,2 umwna granica plastycznści (MPa) R x/ /t czaswa (τ) granica pełzania względem trwałych dkształceń x: 0,2; 0,5; 1,0 itd. (%), w temperaturze t C (MPa) R z/ /t czaswa (τ, np. 100-gdzinna) granica wytrzymałści w temperaturze t C (MPa) RSA szybk zakrzepłe aluminium (ang. Rapid Slidified Aluminium) RSP prces szybkiej krystalizacji (ang. Rapid Slidificatin Prcess) S entrpia (J K -1 ) S X i i S standardwe dchylenia i tej zmiennej wejściwej X raz k tej zmiennej wyjściwej Y Yk SEM skaningwy mikrskp elektrnwy (ang. Scanning Electrn Micrscpe) T temperatura w stpniach Kelvina (K) TEM transmisyjny mikrskp elektrnwy (ang. Transmissin Electrn Micrscpe) T temperatura tpnienia snwy stpu (K) T p temperatura pwietrza (K) T 0 lub T 1 temperatura dniesienia (293K) T1, T2, stany bróbki cieplnej stpów aluminium U energia wewnętrzna układu (J) USD dlar amerykański V bjętść (cm 3, dm 3 lub m 3 ) W funkcja quasi-jednczynnikweg mdelu X zmienna wejściwa Y kntrlwana wielkść wyjściwa Z przewężenie względne (%) Z g granica wytrzymałści zmęczeniwej przy zginaniu (MPa) Litery greckie α, α liniwy współczynnik rzszerzalnści cieplnej (K -1 ), kryterium rzpuszczalnści ddatku stpweg w stanie stałym, pzim ufnści α Al lub Al rztwór stały na snwie aluminium 10

12 α Al (X) rztwór stały ddatku X w aluminium (X = Cu, Mg, Mn, Ni, ) (α Al + β Si ) eutektyka krzemwa w stpach aluminium α fiz fizyczny (rzeczywisty) liniwy współczynnik rzszerzalnści cieplnej (K -1 ) α tech techniczny liniwy współczynnik rzszerzalnści cieplnej (K -1 ) β, β bjętściwy współczynnik rzszerzalnści cieplnej (K -1 ), kryterium rzpuszczalnści ddatku stpweg w stanie ciekłym β i, β ij, β ii standaryzwane współczynniki mdelu matematyczneg (równania regresji) β Si lub Si krzem pierwtny w siluminach, bjętść właściwa (cm 3 g -1 ), kryterium bróbki cieplnej δ kryterium prwatści skurczwej ε dkształcenie (%) pełz dkształcenie pełzania w próbie statyczneg długtrwałeg rzciągania (%) p dkształcenie plastyczne (%) s dkształcenie sprężyste (%) ζ wewnętrzny termdynamiczny parametr układu współczynnik uczenia sieci neurnwej v współczynnik napełnienia cylindra λ, λ współczynnik przewdzenia ciepła (W m -1 K -1 ), kryterium lejnści μ współczynnik Pissna μ ij ptencjał chemiczny i-teg ddatku stpweg w j-tym elemencie mikrstruktury (J ml -1 ) pełz średnia prędkść pełzania (% h -1 ) ν prędkść liniwa (m s -1 ) ρ gęstść (g cm -3 ) σ napięcie pwierzchniwe (N m -1 ), naprężenie (MPa) τ czas (s, min lub h), kryterium temperatury, naprężenie ścinające (MPa) τ c uśredniny czas jedneg cyklu rbczeg (s) pełz czas d zniszczenia w próbie pełzania (s) φ ptencjał elektrdwy (V) ω kryterium rzkładu (ω = α/ ) ω X kryterium rzkładu ddatku X w aluminium (X = Cu, Mg, Mn, Ni, ) Δ zmiana danej wielkści ΔK zakres zmian współczynnika intensywnści naprężeń w cyklu zmęczeniwym (N mm -3/2 ) Σ suma wyrazów występujących za danym znakiem Ω Al bjętść atmwa aluminium (Å 3 ) Ω d bjętść atmwa ddatku (pierwiastka) stpweg (Å 3 ) Inne symble średnica x matematyczny gólny kwantyfikatr: dla każdeg x *scr rzszerzenie zapisu danych liczbwych d pstaci plików scriptwych prgramu Aut-CAD % at. *) prcent atmwy % bj. *) prcent bjętściwy % wag. *) prcent wagwy OWK kąt płżenia wykrbienia wału silnika spalinweg *) Zawartść pierwiastków w stpach raz fazach (związkach) międzymetalicznych w niniejszym pracwaniu pdawan w zdecydwanej większści przypadków w prcentach wagwych, dlateg też w tekście nie dntwywan teg każdrazw. P analgicznych wielkściach wyrażanych w prcentach atmwych lub bjętściwych stawian, dla dróżnienia, dpwiedni symble: % at. lub % bj. 11

13 12

14 1. Wprwadzenie 1.1. Ogólna charakterystyka tematu pracy Opracwywanie nwych raz dsknalenie istniejących stpów dlewniczych pd kątem kreślnych ich fizykchemicznych właściwści, jak i cech użytkwych należy d najważniejszych kierunków rzwju dlewnictwa światweg na pczątku XXI wieku [138]. Jedną z głównych sił napędwych rzwju nwych twrzyw, w dbie współczesnych mżliwści rzwiązywania prblemów materiałwych, pzstaje eknmiczna efektywnść [414]. W krajwej i zagranicznej literaturze specjalistycznej zagadnienia dtyczące szczędnściwych, w tym z niską zawartścią niklu (ang. lw-nickel) raz bezniklwych (ang. nickel-free), siluminów tłkwych nie dczekały się dtychczas kmplekswych pracwań. W Plsce brak jest nawet publikacji charakterze przyczynkwym dtyczących daneg tematu. Bezniklwe siluminy nie są też stswane przez plskich prducentów tłków, chciaż takie ptrzeby becnie są sygnalizwane. Przykłady teg typu stpów, pchdzenia zagraniczneg, wymieniane są tylk w kilku krajwych mngraficznych pracwaniach z zakresu metalznawstwa siluminów stpwych [314, 315, 476]. Za granicą tymczasem w takich krajach, jak: Francja, Hiszpania, Niemcy, Szwecja, W. Brytania, Włchy, Japnia, USA, a także Chiny czy Rsja d kilkunastu lat stswane są, na szerszą skalę, różnrdne gatunki szczędnściwych (głównie bezniklwych) siluminów tłkwych. Sptkać je mżna w nrmach państwwych [61, 67, 134, 177, 327] czy zakładwych [91], a także zgłszeniach patentwych (na przykład [169, 292, 452]). Istnieją też, chciaż nieliczne, zagraniczne publikacje na ten temat [63, 68, 151, 473, 442]. Analiza materiałów źródłwych wskazuje, że w dtychczaswych pracwaniach dtyczących bezniklwych siluminów uwaga badaczy kncentrwała się przeważnie na pdeutektycznej zawartści w nich krzemu z zakresu d 8,5 d 10,5%. Spśród zagranicznych bezniklwych siluminów tłkwych mżna wymienić następujące znane marki: AA (USA) [7, 197]; KS 270 (Niemcy) [376]; A-S10UG (Francja) [67]; AC 8B i AC 8C (Japnia) [177]; AK9M2 (Rsja) [134]. Mniejszą zbirwść stanwią kłeutektyczne bezniklwe siluminy stpwe zaprjektwane i wdrżne d prdukcji tłków w Chinach (LTP ally i ZL108) [245, 539], Rsji (AK12M2 i AK12M3Mг) [63, 134], USA (np. SAE 321 i SAE 334) [203] raz W. Brytanii (LM13) [61, 114]. Na świecie mają też miejsce przypadki chciaż nieliczne zastswań nadeutektycznych bezniklwych siluminów tłkwych; przykładw mżna wymienić takie stpy, jak: AA (USA) [7, 197] czy LM30 (W. Brytania) [114]. Brak jest bezniklwych dpwiedników wśród wyskkrzemwych (> 21% Si) przedstawicieli siluminów tłkwych. Jak przykład szczędnściweg pdeutektyczneg siluminu tłkweg, granicznej zawartści niklu ( 0,8 1,0%), mżna wskazać stp AC 8B występujący w japńskiej nrmie JIS H [177]. Nie istnieją natmiast przykłady teg typu stpów wśród nadeutektycznych (16 21% Si), a tym bardziej wyskkrzemwych siluminów tłkwych. Od pczątku stswania stpów aluminium na tłki, już na przełmie pierwszej i drugiej dekady XX wieku, znane były w Eurpie i na świecie ich bezniklwe 13

15 dpwiedniki na snwie układów Al-Mg, Al-Zn, Al-Zn-Cu, Al-Cu raz Al-Cu-Fe, a wkrótce ptem (lata 20. ubiegłeg stulecia) układu Al-Si. Pjawienie się jednakże d wczesnych lat 40. XX wieku szeregu nwych bezniklwych gatunków siluminów tłkwych t efekt przede wszystkim kreswych wzrstów cen na nikiel na światwych rynkach. Znajdwały ne i nadal znajdują zastswanie przy wytwarzaniu tłków nisk- i średnibciążnych benzynwych silników spalinwych. Główne ich przeznaczenie t tłki jednstek napędzających: 1) niektóre pjazdy naziemne (np. małlitrażwe samchdy sbwe, mtry, skutery i mtrwery); 2) pjazdy wdne (łdzie mtrwe, jachty, pntny); 3) pmpy, sprężarki, piły mechaniczne, ksiarki raz 4) stacjnarne urządzenia wykrzystywane w celach gspdarczych (maszyny rlnicze, agregaty prądtwórcze). Stpy pdbneg typu znajdują również zastswanie na dlewy wytwarzane w frmach piaskwych raz metalwych (kkilach), pracujące w pdwyższnej i/lub wyskiej temperaturze takich części knstrukcyjnych, jak: a) segmenty aparatury chemicznej; b) elementy grzewcze i armaturwe; c) różnrdne detale dla przemysłu samchdweg, ltniczeg i ksmnautyki; d) łpatki turbin i wentylatrów, zawry i zasuwy pmp, kła zębate, łżyska ślizgwe; e) elementy sprzętu gspdarstwa dmweg (AGD) [44, 217, 233, 234, 341, 342, 358]. W wielu przypadkach pd- i kłeutektyczne bezniklwe siluminy tłkwe zbliżne są, c d składu chemiczneg, d całej gamy pdbnych stpów przeznacznych d dlewania ciśnieniweg [35, 193]. W Plsce d niedawna większść tłków, w szerkim zakresie typszeregów rdzajwych i wymiarwych, prdukwana była ze stpu AK12 (AlSi13Mg1CuNi) wg nieaktualnej już nrmy PN-76/H-88027, a becnie znaczaneg zgdnie z PN-EN 1706:2001 jak EN AC (EN AC-AlSi12CuNiMg) zawartści p kł 1% miedzi, magnezu i niklu. Odpwiednikami stpu EN AC (AK12) na świecie są m.in. stpy: Mahle 124 i KS 1275 (Niemcy), A-S12UNG (Francja), AC 8A (Japnia), AЛ30 (Rsja), ZL108 (Chiny). Wraz z panwaniem technlgii mdyfikacji nadeutektycznych siluminów we wczesnych latach 60. ubiegłeg wieku [288], tłki wyskbciążnych silników Diesla raz silników dwusuwwych wyknywane były w Plsce i za granicą z nadeutektycznych siluminów [wg PN-76/H gatunku AK20 (AlSi21CuNi)]. W statnim czasie wśród badaczy raz prducentów tłków istnieje jednak pinia, że należy wykrzystywać d tych zastswań w miarę mżliwści bardziej technlgiczne siluminy kłeutektyczne [44, 95, 241]. Efektem teg są pracwane w Niemczech (przez firmę Mahle [44]) raz w innych krajach (w tym również w Plsce [313, 320]), dla wysilnych benzynwych i wyskprężnych silników spalinwych, kłeutektyczne siluminy tłkwe nwej generacji typu L-Ex (ang. Lw-Expansin). Ze względu na zwiększną zawartść w nich niklu (najczęściej 2,0 4,5%, a niekiedy w zgłszeniach patentwych nawet 5,0 7,0%) i/lub becnść innych przejściwych metali (takich jak: C, Cr, Cu, M i W), mają ne parametry rzszerzalnści cieplnej zbliżne d siluminów nadeutektycznych, Z przeglądu dstępnych danych literaturwych wynika, że wśród badaczy nie ma jednliteg pglądu na temat rli niklu w kształtwaniu struktury i właściwści siluminów tłkwych [68, 393, 442]; w pjedynczych przypadkach (np. [68]) kwestinwana jest nawet jeg niezbędnść w tych stpach. Zestawienie i analiza składu chemiczneg znanych zagranicznych marek bezniklwych siluminów tłkwych uwidacznia, iż nie ma także wśród specjalistów i prducentów tłków jasn sprecyzwanych pglądów, c d ptymalnych zawartści w tych stpach takich ddatków stpwych, jak: Si, Cu, Mg czy Mn. Kntrwersyjne są także pinie naukwców raz inżynierów na temat rli Zn w rzpatrywanej grupie stpów. Nie wyjaśnin dtychczas, jaka jest górna dpuszczalna granica zawartści w nich Fe; pszukiwane są też wciąż na przykład pprzez wprwadzanie niewielkich ilści metali przejściwych [266], a także Be [342, 517] i Sr [382, 383] 14

16 najbardziej efektywne spsby kmpensacji szkdliweg działania niektórych międzymetalicznych faz żelaza w siluminach. Średni- i wyskbciążne tłki silników samchdwych, wytwarzane ze znrmalizwanych stpów typu EN AC (EN AC-AlSi12CuNiMg) czy tym bardziej ze stpów typu L-Ex psiadają tę wadę, że zawierają deficytwy i drgi nikiel. Mają też ne zazwyczaj bstrzenia, c d górnych granic zawartści w nich żelaza i cynku jak zanieczyszczeń. Obecnie, kiedy ceny niklu na świecie pdlegają licznym kniunkturalnym wahanim raz kresw siągają rekrdwe pzimy na światwych rynkach, zadania dtyczące pracwania nwych raz dsknalenia istniejących szczędnściwych (bezniklwych) zamienników stpów typu EN AC (EN AC-AlSi12CuNiMg), z przeznaczaniem na tłki silników samchdwych i inne elementy knstrukcyjne, nabiera w Plsce raz na świecie szczególnej aktualnści. Należy przy tym brać pd uwagę fakt, że zapasy minerałów niklu w przyrdzie są graniczne [160, 172]. Mżliwść pracwania bezniklwych siluminów tłkwych, pdbnych lub bardz zbliżnych parametrach eksplatacyjnych d tych z niklem (typu EN AC-48000), mże zapewnić strategia plegająca na: cenie w świetle danych pchdzących z dstępnych materiałów źródłwych rli, jaką pełni nikiel w stpach aluminium raz siluminach stpwych, w tym szczególnie siluminach typu tłkweg, z punktu widzenia wymagań stawianych teg typu twrzywm; fizykchemicznej analizie ptrójnych raz bardziej złżnych układów równwagwych Al-Si-X-Y (gdzie: X, Y,... inne pierwiastki układu kresweg, zwłaszcza metale przejściwe) w celu zidentyfikwania ptencjalnych zamienników niklu raz stateczneg wybru jedneg z nich z uwzględnieniem jednstkwej ceny; kreśleniu pdstawwych krystalgraficznych i innych fizykchemicznych właściwści związków (faz) międzymetalicznych wybraneg zamiennika, mgących występwać w prstych i złżnych układach na snwie aluminium, a zatem prównanie ich z analgicznymi właściwściami dla związków (faz) z niklem; syntezie nwych stpów (ang. designing f new allys) tłkwych, plegającej na wyknaniu serii planwanych eksperymentów, ich statystyczn-matematycznej bróbce raz przeprwadzeniu ptymalizacji, w dniesieniu d wyspecyfikwanych wcześniej pdstawwych i specjalnych (na przykład dtyczących stabilnści wymiarwej) kntrlwanych parametrów (wielkści wyjściwych), których graniczne wartści dpwiadałyby znrmalizwanym stpm z niklem; labratryjnej (na próbkach dświadczalnych), a zatem eksplatacyjnej (na tłkach w próbie silnikwej) weryfikacji trzymanych nwych czy też udsknalnych rzwiązań bezniklwych wariantów siluminów tłkwych imitujących stpy wytwarzane z czystych wyjściwych materiałów wsadwych raz te na bazie surwców wtórnych (ze zwiększnymi zawartściami Fe i/lub Zn). D isttnych z punktu widzenia warunków pracy tłków, a zwykle pmijanych przy pracwywaniu nwych siluminów tłkwych raz nie pdawanych w publikacjach (artykułach czy pisach patentwych), należą specyficzne parametry stabilnści wymiarwej. Chdzi głównie fizyczny współczynnik rzszerzalnści cielnej, jak wskaźnik dwracalnych zmian wymiarwych, a także wielkść trwałych (niedwracalnych) dkształceń w warunkach quasi-statycznych i/lub zmiennych bciążeń cieplnych. Tymczasem, jak pdkreślają t brytyjscy [257] raz amerykańscy [125] specjaliści, niedstateczna długtrwała stabilnść wielskładnikwych stpów stanwi współcześnie główny prblem stjący przed zespłami pracwującymi nwe stpy knstrukcyjne. Na ważnść zagadnień 15

17 długkreswej stabilnści struktury i właściwści stpów metali, zwłaszcza w warunkach zmiennych bciążeń cieplnych, zwraca się również uwagę w plskich pracwaniach (np. [101, 110, 328]). Pnieważ tematyka dtycząca stabilnści wymiarwej twrzyw tłkwych d strny prawdpdbnych mechanizmów nie była dtychczas w Plsce pdejmwana, pstanwin ją w niezbędnym dla główneg tematu zakresie mżliwie skrótw zaryswać. Niniejsza rzprawa bejmuje pis szeregu prac charakterze teretycznym i eksperymentalnym, związanych głównie z: analizą, syntezą raz badaniami bezniklwych siluminów typu tłkweg. Ptrzeba eknmicznej efektywnści raz racjnalizacji stswanych rzwiązań przyświecała autrwi nie tylk w dniesieniu d pszukiwania sameg twrzywa, ale także w stsunku d prgramu i metdyki badań bez specjalneg uszczerbku dla jakści siąganych rezultatów. Wiąże się z tym prpzycja p części autrska przyspiesznych metd ceny żarwytrzymałści, dprnści na zmęczenie cieplne raz trwałych zmian wymiarwych w warunkach bciążeń cieplnych bazujących na kncepcjach mechaniczneg i/lub termiczneg przyspieszenia [78]; uważa się je za uzasadnine na etapach prjektwania nwych i dsknalenia istniejących stpów [45]. Eknmicznść przedsięwzięcia badawczeg, przy jednczesnej jeg pznawczej efektywnści, zapewnić miał również matematyczny plan eksperymentów, a także wykrzystanie bliczeniwej techniki kmputerwej d statystycznej bróbki wyników pmiarów raz numeryczneg rzwiązywania zagadnień wielparametrycznej ptymalizacji w przestrzeni wielwymiarwej. Wszystkie ewentualne zalety, jak i niedstatki ceny właściwści twrzyw na pczątkwych etapach badań pstanwin zweryfikwać tak c d ich pdstawwych fizykchemicznych (w tym mechanicznych), specyficznych (stabilnści wymiarwej) raz technlgicznych (głównie lejnści) właściwści w warunkach przemysłwych (u prducenta tłków), jak też w dniesieniu d eksplatacyjnej trwałści i niezawdnści na tłkach w próbach silnikwych. Testy na hamwni silnikwej jedneg z nw pracwanych bezniklwych siluminów, najbardziej interesująceg specjalistów firmy Federal Mgul Grzyce S.A., ptwierdziły prawidłwść prgnz wynikających z badań labratryjnych Eknmiczne aspekty zastswań niklu w stpach Dbór twrzyw, w tym stpów metali, winien pierać się nie tylk na bazie technicznych załżeń prjektwych typwych dla elementów knstrukcyjnych, t jest kreślanych przez jeg fizykchemiczne, technlgiczne czy eksplatacyjne właściwści, ale także na eknmicznych pdstawach [14, 97, 135, 140, 148, 219, 422]. Ptrzeba techniczn-eknmicznej racjnalizacji wybru materiałów w pełni dnsi się również d dlewniczych stpów aluminium przeznacznych d prdukcji tłków silników spalinwych. Nikiel należy d drgich i deficytwych metali; zaliczany jest pnadt d surwców ważnym strategicznie znaczeniu [64, 160, 172, 426]. Pjęcie deficytwści ma szerszy kntekst; metal należy bwiem d deficytwych nie tylk ze względu na cenę, ale także w zależnści d: a) wielkści występwania w przyrdzie; b) łatwści pzyskania ze związków mineralnych; c) stpnia zaawanswania technlgii wydbycia i wzbgacania rud raz stateczneg uzysku w prcesach fizykchemicznych (np. pir-, elektr- czy hydrmetalurgicznych) [172, 270, 271]. Ceny niklu na rynkach światwych pdlegają kreswym wahanim. W latach wykazywały ne stsunkw długtrwałą tendencję zwyżkwą, siągając w drugim kwartale 2007 r. nigdy nientwany dtąd pzim pwyżej USD/t, przy średnircznej cenie k USD/t (rys. 1.2) [116, 513, 523]. Od płwy

18 rku d kńca pierwszeg kwartału 2009 rku wystąpiła jednak gólna tendencja spadkwa cen niklu (rys. 1.1a raz rys. 1.2), c spwdwane był gólnświatwym kryzysem finanswym, a zatem gspdarczym; ceny teg metalu spadły wtedy pniżej USD za tnę; były ne jednak nadal wyskie w prównaniu z rkiem 2001, kiedy t średnirczna handlwa wartść jednej tny wynsiła k USD. Pczynając d drugieg kwartału 2009 r. ceny niklu pnwnie zaczęły rsnąć (rys. 1.1), jednakże w trzecim i czwartym kwartale raz na pczątku 2010 rku pdlegały licznym fluktuacjm (w zakresie USD/t). W 2010 r. dntwać należy isttną ich pdwyżkę, w dniesieniu d rku pprzednieg ( k USD/t w wymiarze średnircznym rys. 1.2), siągając w kwietniu pzim k USD/t; p dść nagłym spadku cen w następnych miesiącach, d lipca wykazywały ne znwu gólną tendencję wzrstwą (rys. 1.1b). W pierwszym kwartale 2011 rku ceny niklu na lndyńskiej giełdzie scylwały w granicach USD/t [523]. a) b) Rys Zmiany cen niklu na światwej giełdzie w Lndynie (LME) w latach: a) 2009 raz b) 2010 [523] Rys Zmiany średnircznych cen niklu na światwym rynku, w bieżących dlarach (ang. current dllars), d pczątku ntwań (tj. d rku 1840) d 2009 rku (pracwanie własne, na pdstawie materiałów źródłwych [523, 527]) Zawartść niklu w skrupie ziemskiej wynsi k. 0,008%; w skali rzpwszechnienia daje t 21. pzycję wśród wszystkich pierwiastków [105]. Światwe zasby niklu, w minerałach zawierających 1% i więcej Ni, szacwane są na pzimie k. 130 mln tn [523], c przy stale wzrastającej prdukcji rcznej, przekraczającej becnie 1,5 mln tn (vide tabela 1.1) czyni g metalem rzadkim [148, 160, 526]. Kłpty z niklem wynikają współcześnie nie tylk z kurczących się zapasów jeg złóż mineralnych, ale także wzrastających ksztów wydbycia i przetwórstwa [172]. 17

19 Tabela 1.1. Wielkść prdukcji niklu na świecie (w mln tn) w latach (pracwanie własne na pdstawie danych pchdzących ze źródeł [430, 508, 512, 514, 527]) Rdzaj prdukcji Nikiel pierwtny rafinwany Całkwita światwa prdukcja 18 Rk ,77 0,93 1,08 1,16 1,18 1,19 1,25 1,27 1,36 1,43 1,38 1,14 1,18 1,17 1,29 1,35 1,35 1,37 1,42 1,49 1,58 1,66 Światwymi liderami prdukcji niklu są: Rsja, Kanada, Australia, Nwa Kalednia, Indnezja [349, 512]. Plska w zasadzie jest jedynie imprterem niklu; nieznaczne ilści teg metalu ( tn rcznie) dzyskuje się z zanieczyszczneg (m.in. przez Ni) elektrlitu stswaneg w finalnym prcesie przerbu miedzi andwej [519]. Według analityków z AME Mineral Eknmics [502] wzrst zaptrzebwania na nikiel spwdwany jest głównie przez prducentów stali nierdzewnej, ich planami rzwjwymi raz knslidacją branży. Isttny wpływ na te tendencje ma stale wzrastające zaptrzebwanie na nikiel ze strny Chin, które z rku na rk stają się widącym prducentem stali nierdzewnej na świecie [534]. D tradycyjnie największych państw-knsumentów niklu, pza Chinami, należą: Japnia, USA, Indie, Krea Płudniwa, Tajwan raz kraje Eurpy Zachdniej [116, 430]. Prblematyka szczędnści rzadkich i drgich metali, w tym szczególnie niklu, nie jest w Plsce czy na świecie nwa [20, 42, 49, 64, 144, 223, 270, 271, 277, 278, 464, 488]. Obecnie jednak, w warunkach rynkwych i zmiennej kniunkturze niklu, nabiera na nwej jakści. Pszukiwaniem bezniklwych zamienników stpów zajmują się w naszym kraju specjaliści, m.in. w dziedzinie brązów [146] czy stali [41, 43, 256, 506]. W statnich latach pszukiwane są zamienniki stali nierdzewnych i brązów z niklem w zastswaniach medycznych i biżuteryjnych, albwiem jak zabserwwan Ni wykazuje silnie tksyczne działanie na rganizm ludzki [265, 427]. Opracwanie nwych czy ulepsznych kmpzycji bezniklwych siluminów ma znaczenie nie tylk w przypadku ich zastswań na tłki silników spalinwych, czym wspmnian już w pdrzdziale Cel, teza i zakres prac własnych Celem niniejszej rzprawy jest rzpatrzenie zagadnień tak w teretycznym, jak też w eksperymentalnym ujęciu dtyczących szczędnściwych, a w szczególnści bezniklwych siluminów tłkwych. W danym zakresie w Plsce istnieje d kilkunastu lat luka technlgiczna w dniesieniu d wysk rzwiniętych technicznie krajów Unii Eurpejskiej, Stanów Zjedncznych, Japnii, a także Rsji. Na tym tle pstanwin zaprezentwać prblematykę stabilnści wymiarwej twrzyw tłkwych, która nie dczekała się tak w specjalistycznej literaturze krajwej, jak i zagranicznej syntetyczneg pracwania. Wynikiem prac są nwe czy też udsknalne bezniklwe siluminy tłkwe, spełniające szereg wymagań, w tym dtyczących stabilnści względem dwracalnych i niedwracalnych zmian wymiarwych. Prezentwany w niniejszej pracy materiał ma na celu uzasadnienie pięć zasadniczych tez: 1. Mżliwe jest pracwanie bezniklwych siluminów tłkwych, których mechaniczne właściwści w pkjwej raz pdwyższnej temperaturze będą prównywalne, a nawet lepsze w dniesieniu d znrmalizwaneg siluminu tłkweg typu EN AC (EN AC-AlSi12CuNiMg).

20 2. Odwracalne zmiany wymiarów (charakteryzwane technicznym i fizycznym współczynnikiem rzszerzalnści cieplnej) bezniklwych siluminów, zawierających zwiększne zawartści miedzi, a także mangan i (pcjnalnie) żelaz jak pżądane ddatki stpwe, mgą być nie większe d analgicznych wielkści uzyskiwanych przez znrmalizwane stpy z niklem. 3. Niedwracalne (trwałe) zmiany wymiarów bezniklwych siluminów, w warunkach bciążeń cieplnych, będą mniejsze (c d bezwzględnych wartści) d wielkści pdbnych zmian bserwwanych w przypadku tradycyjnych kłeutektycznych siluminów tłkwych z niklem typu AlSi12CuNiMg czy AlSi12Cu2NiMg. 4. Kmpleks pżądanych wytrzymałściwych, plastycznych, innych fizykchemicznych, a także specjalnych właściwści bezniklwych siluminów jest mżliwy d uzyskania na drdze zastąpienia niklu innym 3d, 4d lub 5d przejściwym pierwiastkiem (Cr, Mn, C, M, W,...) raz takim dbrem ptymalnych pzimów zawartści pzstałych elementów składu chemiczneg (Si, Cu, Mg i Fe), które w knsekwencji zapewnią przy zadanej technlgii przetwarzania dpwiedni ich skład fazwy. 5. Opracwanie bezniklwych siluminów wytwarzanych z udziałem surwców wtórnych, właściwściach dpwiadających znrmalizwanemu stpwi EN AC-48000, mżliwe jest pprzez kreślenie ptymalnych zawartści w nich krzemu, miedzi, magnezu i manganu, przy jednczesnym wyznaczeniu limitów dtyczących ilści wprwadzaneg żelaza i/lub cynku. Dla udwdnienia pwyższych tez, w części dtyczącej pisu stanu zagadnienia, na pdstawie danych literaturwych, dknan zestawienia raz analizy szczędnściwych głównie bezniklwych siluminów stswanych za granicą d prdukcji tłków silników spalinwych. Krótk scharakteryzwan rlę niklu w danej grupie stpów, a także dknan na pdstawie teretycznych rzważań identyfikacji jeg ptencjalnych zamienników. Omawiając warunki pracy tłków, wyspecyfikwan szereg wymagań stawianym twrzywm tłkwym, zwracając przy tym uwagę na parametry stabilnści wymiarwej. Pdjęt próbę wyjaśnienia na pzimie atmwym i/lub mlekularnym, a także mikrstrukturalnym praw rządzących trwałymi zmianami wymiarwymi stpów metalicznych, w warunkach quasi-statycznych i dynamicznych bciążeń cieplnych. Uzasadnin celwść zastswania przyspiesznych cen żarwytrzymałści raz dprnści na zmęczenie cieplne. W części eksperymentalnej dknan syntezy bezniklwych siluminów tłkwych, a zatem przeprwadzn ich labratryjną weryfikację. Jeden z wariantów nw pracwanych stpów pddan sprawdzającym badanim w próbie silnikwej. Kńcwym wynikiem pracy są nie tylk nwe czy ulepszne względem rzwiązań zagranicznych bezniklwe siluminy typu tłkweg, ale także kierunki i wielkści wpływu elementów składu chemiczneg (Si, Cu, Mg, Mn, Fe i Zn) na ważniejsze ich fizyczne (w tym mechaniczne) właściwści dpwiadające warunkm eksplatacji tłków. Oryginalnym drbkiem wynikającym z realizacji pracy są też ilściwe ceny trwałych zmian wymiarwych bezniklwych siluminów w warunkach bciążeń cieplnych, w dniesieniu d analgicznych zmian bserwwanych w przypadku kłeutektycznych siluminów tłkwych z niklem. 19

21 2. Bezniklwe siluminy tłkwe w systemie dlewniczych stpów aluminium Z punktu widzenia przeznaczenia, ważną i liczną grupę dlewniczych stpów aluminium stanwią twrzywa przeznaczne d prdukcji tłków silników spalinwych [136, 141, 335, 340, 341, 422]. Wśród nich d szeregu już lat szczególnie dużą zbirwść z punktu widzenia analizy systemwej [49] stanwią siluminy tłkwe. Te statnie, t złżne stpy aluminium z ddatkami krzemu, magnezu raz wybranych pierwiastków układu kresweg z szeregów 3d- (Cu, Ni, Mn, Fe, Cr, C, Zn, Ti, V), 4d- (M, Y, Zr) raz 5d- (W) metali przejściwych, a także lantanwców: Ce czy La [24, 27, 58, 245, 310, , 320, 328, 335, 393, 423, 476]. Wśród siluminów tłkwych wyróżnić z klei mżemy pdzbiór, elementami któreg są szczędnściwe w szczególnści bezniklwe siluminy Siluminy Siluminy stpy na snwie układu Al-Si stanwią nie tylk najliczniejszą grupę wśród dlewniczych stpów aluminium [55, 305, 329, 328], ale także największą pd względem tnażu; pnad 90% dlewów aluminiwych wyknywanych jest z teg typu twrzyw [366, 498]. Siluminy należą d perspektywicznych materiałów w grupie stpów metali nieżelaznych nie tylk ze względu na unikalne płączenie dbrych fizykchemicznych raz technlgicznych właściwści [1, 51, 113, 136, 137, 141, 252, 305, 310, 314, 315, 328, 335, 400, 476]; krzem, jak pdstawwy ddatek stpwy, jest jednym z najbardziej rzpwszechninych pierwiastków zaraz p tlenie w przyrdzie (zawartść Si w skrupie ziemskiej wynsi k. 28%); trzecie z klei miejsce zajmuje glin (k. 8%) [101, 105, 110, 266, 372]. Przegląd krajwych i zagranicznych materiałów źródłwych dtyczących stpów aluminium pzwala na wydrębnienie pśród nich pdstawwych grup raz pkazanie miejsca i rli siluminów w tym siluminów tłkwych (rys. 2.1). Rys Ważniejsze układy dlewniczych stpów na snwie aluminium, z wydrębnieniem histrycznie pierwszych, późniejszych i becnie stswnych stpów tłkwych (pracwanie własne) 20

22 Z analizy składów chemicznych znanych dlewniczych stpów na snwie układu Al-Si wynika, że zawartść w nich krzemu waha się w granicach d 4,5 d 26,0%, chciaż niektórzy specjaliści (np. [51, 102, 252, 305, 335, 448]) pszerzają niec ten zakres: d 2,0 d 30,0% (vide rys. 2.2). Siluminy przeznaczne na dlewy ze względu na zawartść Si, dzieli się zazwyczaj na: a) pdeutektyczne 2,0 10,0% Si; b) kłeutektyczne 10,0 14,0% Si i c) nadeutektyczne 14,0 26,0 (30,0)% Si [1, 55, 153, 241, 252, 310, 314, 315, 328]. D niedawna istniał ścisły nie tylk w Plsce pdział siluminów na: 1) dlewnicze (wg PN-76/H-88027) raz 2) d przeróbki plastycznej (wg PN-79/H-88026) zawierające maksymalnie 1,5% Si, a niekiedy niestandardw nawet d k. 4,0%). Obecnie zabserwwać mżna wzajemne przenikanie się technlgii dlewniczych i tych związanych z przeróbką plastyczną, dlateg też zacierają się granice pmiędzy stswanymi w nich twrzywami. Pza różnymi dmianami klasyczneg ciśnieniweg dlewania [35] raz współczesnej jeg dmiany dlewania tikstrpweg [36], pjawiły się statni technlgie także wykrzystujące ciśnienia większe d atmsferyczneg; są t takie spsby wytwarzania jak: Cbapress, Autfrge, Squeeze Casting czy dlewanie pprzez wyciskanie [108, 126, 135, 139, 140, 406, 408, 460]. Zastswanie pnadt innych nieknwencjnalnych technik wytwarzania, plegających na przykład na wprwadzeniu d snwy stpu metdą in vitr czy in situ dyspersyjnych faz zbrjących raz zastswaniu prcesów szybkieg krzepnięcia (RSP, ang. Rapid Slidificatin Prcess) [17, 18], pzwala na trzymywanie specjalnych struktur kmpzytwych [362, 400] czy też amrficznych [142, 186, 489] dla stpów układu aluminium-krzem. Wykrzystanie prcesu RSP daje mżliwść zwiększenia zawartści krzemu nawet d 50% raz wprwadzenia innych ddatków stpwych takich przykładw jak: Cu, Ni czy Fe w ilściach d 5 d 15% [518, 535]. W specjalistycznej literaturze sptkać mżna przykłady tłków kutych w dpwiedni wyskiej temperaturze z typw dlewniczych siluminów kłeutektycznych czy nawet nadeutektycznych (np. [537]). Mikr- i makrstruktura kutych siluminów isttnie różni się d struktury w stanie lanym; kute twrzywa daneg typu są bardziej plastyczne raz mają większą dprnść na ciepln-mechaniczne zmęczenie Siluminy tłkwe Stpy układu aluminium-krzem z ddatkami innych pierwiastków przyjęt nazywać siluminami stpwymi. Z uwagi na przeznaczenie raz skalę prdukcji, z tej grupy aluminiwych stpów wyróżnia się ważną wyspecjalizwaną pdgrupę (klasę) siluminów tłkwych [110, 328, 422, 447]. Już w 1931 rku, warszawski inżynier E. Perchrwicz na I Zjeździe Odlewników Plskich pdkreślał, iż sbną grupę stpów lekkich stanwią stpy tłkwe [304]. Siluminy z przeznaczeniem na tłki silników spalinwych są przykładem jednych z najbardziej złżnych, ze względu na skład chemiczny, dlewniczych twrzyw metalwych. Są t stpy układu Al-Si-Cu-Mg-(Ni)-(Mn)-(Fe)-(Zn), niekiedy uzupełniane przez: Cr, C, M, V lub W jak ddatki stpwe; Na, K, Sr mdyfikatry eutektyki krzemwej; Sc, Ti, V, Zr, B rzdrabniacze ziarna Al - rztwru stałeg raz P, S mdyfikatry pierwtnych kryształów krzemu ( Si ). W nawiasach pwyższeg gólneg znaczenia siluminu tłkweg ujęt te pierwiastki, które mgą być zaliczane zarówn d pżądanych ddatków stpwych, jak też d zanieczyszczeń. W specjalistycznych publikacjach sptkać mżna także prpzycje wprwadzania d siluminów tłkwych innych ddatków stpwych, rzdrabniaczy ziarna czy mdyfikatrów spśród pzstałych pierwiastków układu kresweg; na przykład Ce czy La [27, 28, 142, 245, 489]. 21

23 Analiza krajwych i zagranicznych nrm (standardów) państwwych, prspektów raz nrm prducentów tłków, a także publikacji z zakresu twrzyw tłkwych pzwala zrientwać się, iż znane są na świecie dziesiątki stpów stswanych w zależnści d knstrukcji, wymiarów i przeznaczenia tłków, a także siągnięteg w danym kraju naukw-techniczneg pzimu. Prezentwane w pracach [203, 219, 233, 250, 310, 315, 376, 400, 402, 422, 476, 496] zestawienia siluminów tłkwych pzwalają na ich klasyfikację. Najczęściej dknywana jest na ze względu na zawartść krzemu. W literaturze z zakresu silników spalinwych [173, 176, 219, 250, 254, 350] siluminy tłkwe dzieli się na: a) eutektyczne i b) nadeutektyczne. Tymczasem w publikacjach charakterze metalznawczym [110, 310, 315, 328, 335, 448, 476] wyróżnia się siluminy tłkwe w czterech pdstawwych grupach (w % Si): 1) pdeutektyczne 7,5 10,5; 2) kłeutektyczne 10,5 13,5; 3) nadeutektyczne 13,5 20,0 raz 4) wyskkrzemwe 20,0 23,0 (26,0) (rys. 2.2). Rys Granice zmian zawartści krzemu w typwych grupach siluminów tłkwych na tle całeg zbiru dlewniczych siluminów, w dniesieniu d wykresu równwagi fazwej Al-Si (pracwan na pdstawie danych pchdzących z prac [51, 102, 252, 305, 310, 315, 476, 498]) W pracy [233] wydrębnin dwie pdgrupy siluminów nadeutektycznych: a) lekk nadeutektyczne 13,5 16,0% Si raz b) właściwie nadeutektyczne 16,0 20,0% Si. Zakresy występwania innych ważnych ddatków stpwych i/lub zanieczyszczeń w całej grupie znanych i dbrze ugruntwanych w praktyce przemysłwej siluminów tłkwych pkazuje tabela 2.1. Z danych tabeli 2.1 wynika, iż prócz różnic w zawartści krzemu, psiadają ne także dużą zmiennść w stężeniach miedzi i niklu. Ilści magnezu są mniej więcej na tym samym pzimie. Mangan, w każdej pdgrupie siluminów tłkwych, traktwany jest raz jak pżądany ddatek stpwy, innym razem jak zanieczyszczenie. W nielicznych przypadkach jak ddatki stpwe używane są Cr i C, szczególnie w siluminach tłkwych większych zawartściach krzemu. W statnim kresie czasu prpnuje się kł- i nadeutektyczne siluminy tłkwe, zwiększnych d 6% zawartściach Cu [44] raz d 4,5% Ni, Cr, C, M czy W [312, 313, 320, 393]. Żelaz praktycznie zawsze traktwane jest jak szkdliwa dmieszka, która nie pwinna przekraczać pzimu 1,3%. Pdbnie wygląda sytuacja z cynkiem; uważany jest n w większści znrmalizwanych siluminów tłkwych za typwe zanieczyszczenie, głównie ze względu na niską temperaturę przemian fazwych z udziałem Zn (np. w układzie Al-Si-Zn ptrójna eutektyka krzepnie w temperaturze 380 C [234, 268], vide Załącznik) raz sprzyjanie większej rzszerzalnści cieplnej. O ile jednak w większści siluminów tłkwych dpuszczal- 22

24 ne zawartści Zn wynszą 1,0 (max. 1,2)%, t istnieją przykłady bezniklwych ich wariantów (hiszpańskieg L-2630 czy amerykańskieg A383.0), w których górna zawartść cynku sięga pzimu 3,0% (vide tabela 2.8). W skrajnych przypadkach, jak w amerykańskim patencie [374], górna dpuszczalna zawartść Zn w bezniklwym siluminie tłkwym wynsi aż 5,5%. Tabela 2.1. Zakresy zawartści pdstawwych ddatków stpwych i/lub zanieczyszczeń w pszczególnych grupach ze względu na krzem dlewniczych siluminów tłkwych [233, 234] Grupa siluminów tłkwych Pdstawwe ddatki stpwe i/lub zanieczyszczenia, [% wag.] Si Cu Mg Ni C Cr Mn Fe Ti Zn pdeutektyczne 7,5 10,5 2,0 4,0 0,5 1,5 0,0 1,0 kłeutektyczne 10,5 13,5 0,5 4,5 0,7 1,5 0,0 3,0 nadeutektyczne 13,5 16,0 1,0 4,7 0,7 1,3 0,0 4,3 0,0 0,9 16,0 20,0 0,8 5,0 0,4 1,3 0,0 3,6 0,0 0,3 0,4 0,6 wyskkrzemwe 20,0 26,0 1) 0,9 3,0 0,2 1,3 0,8 2,8 0,0 1,5 0,0 0,4 0,10 0,70 lub 0,50 0,30 0,90 lub 0,50 0,30 0,70 lub 0,50 0,40 1,00 lub 0,30 0,20 0,80 lub 0,10 0,90 (1,30) 0,50 (1,20) 0,30 (0,60) 0,30 (1,10) 0,20 (0,90) 0,05 0,25 lub 0,25 0,05 0,25 lub 0,25 0,05 0,20 lub 0,20 0,05 0,25 lub 0,25 0,05 0,30 lub 0,20 1,00 (3,00) 2) 1) zdecydwana większść dlewniczych siluminów tłkwych z grupy wyskkrzemwych ma górną granicę zawartści krzemu na pzimie 23,0% wag; 2) w stpach wytwarzanych m.in. z surwców wtórnych Szczegółwa analiza siluminów tłkwych z uwagi na zawartść krzemu zaprezentwana zstała w pracy [315]. Birąc pd uwagę pzstałe ważne ddatki stpwe tj.: Cu, Mg i Ni mżna przeprwadzić dalszy ich pdział. Tak więc, ze względu na zwiększne zawartści miedzi i niklu, wśród twrzyw przeznacznych na tłki wyskprężnych silników spalinwych, wyróżnia się stpy typu L-Ex nwej generacji [24, 111, 199, 233, 313, 378, 445]; przy tym w zgłszeniach patentwych prpnwane zakresy zawartści tych pierwiastków wybiegają niec pza ramy kreślne przez nrmy państwwe i/lub zakładwe, pdane w tabeli 2.1. Ze względów technlgicznych w kraju [53, 500, 501], jak i za granicą [44, 521, 524, 531] preferwane są becnie siluminy tłkwe typu L-Ex kłeutektycznej zawartści krzemu. Z danych w tabeli 2.1 wynika, że wśród pdeutektycznych, kłeutektycznych i nadeutektycznych siluminów tłkwych istnieją ich przedstawiciele niewielkiej czy wręcz zerwej zawartści niklu. Jedynie w wyskkrzemwych siluminach wymagana jest jeg becnść na pzimie c najmniej 0,8%. Chrm i kbalt stswany jest w większści rzpatrywanych stpów rzadk. Dlateg też stpy niewielkich zawartściach drgich i rzadkich pierwiastków tj.: Ni, Cr, C, a także V, M czy W będziemy dnsić d pdgrupy szczędnściwych. Przy zerwych, deklarwanych nrmą bądź pisem patentwym, zawartściach niklu (jak ddatku stpweg), mżna mówić bezniklwych wariantach. Należą wtedy ne najczęściej d stpów układu Al-Si-Cu nazywanych siluminami miedziwymi [133] Oszczędnściwe siluminy tłkwe Jak zstał t już dntwan we wprwadzeniu, szczędnściwych siluminach tłkwych mżemy mówić zarówn w przypadku ich wytwarzania z czystych gólnie dstępnych materiałów wsadwych, nie zawierających drgich i deficytwych ddatków stpwych (takich m.in. jak: nikiel, kbalt czy chrm), jak też przy wykrzystaniu d ich prdukcji surwców wtórnych ( pdwyższnych zawartściach Fe i/lub Zn). Przeprwadzna analiza specjalistycznej literatury w zakresie tematycznym niniejszeg pracwania pzwala zaprpnwać pdział szczędnściwych siluminów tłkwych według schematu, pkazaneg na rysunku ,20 0,20 1,50 0,30 23

25 Rys Schemat pdziału szczędnściwych siluminów tłkwych z uwagi na nikiel i inne cenne pierwiastki (pracwanie własne, na pdstawie prac [80, 233, 234]) Za siluminy z graniczną zawartścią niklu raz innych drgich i deficytwych pierwiastków przejściwych (Cr, C, M i W) będziemy uważać takie, w których suma zawartści tych ddatków nie będzie przekraczać pzimu jedneg prcenta. Teg typu stpy mają swich nielicznych przedstawicieli za granicą. Za szczególnie szczędne należy uważać siluminy tłkwe, pwyżej wskazanych zawartściach drgich i deficytwych przejściwych pierwiastków, trzymywane na bazie surwców wtórnych. Jednakże wytwarzanie ich w warunkach przemysłwych jest zadaniem trudnym technicznie, albwiem w złmie biegwym znrmalizwanych siluminów tłkwych prawie zawsze występuje nikiel; dlateg też technlgicznie wygdniej jest przygtwywać szczędnściwe siluminy tłkwe dla pewnej niewielkiej zawartści w nich teg metalu ( 0,3...0,5%, niekiedy jednak graniczenie t sięga pzimu 1,5%, vide tabela 2.8). Zadania dtyczące pełniejszeg wykrzystania w Plsce surwców wtórnych w prcesach wytwarzania elementów knstrukcyjnych, w tym także tłków, wymagają becnie znaczneg przyspieszenia [429]; w tym względzie istnieje w Plsce w stsunku d krajów wyskrzwiniętych luka technlgiczna. Od pierwszych przemysłwych zastswań stpów aluminium d prdukcji tłków silników spalinwych na pczątku ubiegłeg stulecia znane były, chciaż nie tak liczne, ich bezniklwe warianty (vide tabele ) Rys histryczny zastswań na tłki stpów aluminium, w tym bezniklwych Pwstanie pierwszych tłkwych silników parwych (1712 r., Thmas Newcmen [112]) pnad 100 lat wyprzedził dkrycie przez Duńczyka Hansa Oersteda w 1825 r. glinu jak pierwiastka [46], a kł 200 lat pwszechne zastswanie stpów aluminium w silnikach spalinwych [98, 254, 376]. Pierwsze tłki silników parwych, następnie gazwych czy w kńcu na paliw ciekłe były wytwarzane ze stpów miedzi [368], a później z żeliwa [376, 504]. Opanwanie płacalnej na skalę przemysłwą prdukcji aluminium w drugiej płwie XIX wieku, przy zastswaniu prcesu elektrchemicznej przeróbki bksytów, jeszcze nie zmienił sytuacji. Technicznie czyste aluminium (zawierające c najwyżej śladwe ilści Ni) hiptetycznie pierwszy bezniklwy stp Al nie nadawał się jednak na tłki głównie z uwagi na: a) niskie wytrzymałściwe właściwści, w tym szczególnie w pdwyższnej temperaturze; b) stsunkw duży współczynnik rzszerzalnści cieplnej, w dniesieniu d rzszerzalnści żeliwnej tulei cylindrwej raz c) niskie parametry ślizgwe raz małą dprnść na zużycie [376]. Pierwszymi stpami na snwie aluminium były prawdpdbnie stpy układu Al-Si, wytwrzne już w 1856 rku przez Francuza Henri Saint-Claire Deville [124, 228]. Ich niskie właściwści mechaniczne raz słaba zdlnść 24

26 d bróbki ubytkwej pwdwane grubą mrflgią wydzieleń krzemwych nie pzwalały przez dłuższy czas na ich szersze przemysłwe zastswanie [93]. Jeden z pierwszych dlewniczych stpów układu Al-Zn wytwarzany syntetycznie jeszcze pd kniec XIX wieku, z ddatkami Si i Mg nie był również specjalnie przydatny d teg celu [147, 148, 268, 407, 496]. Na przełmie XIX i XX wieku silniki spalinwe były niezmiennie wypsażne w tłki z żeliwa szareg [361, 376, 532]. W tym czasie samchód wytwarzany był na bazie zaledwie pięciu pdstawwych twrzyw: drewna, stpów żelaza, szkła, gumy raz stpów miedzi (m.in. msiądzu) [160]. Dpier burzliwy rzwój przemysłu samchdweg, a także ltniczeg na pczątku XX wieku wykrewał zaptrzebwanie na lekkie części knstrukcyjne, a w knsekwencji nwe dlewnicze stpy aluminium. Jeszcze przed 1910 rkiem czynin próby zastąpienia tłków żeliwnych (pwszechnie wtedy stswanych) aluminiwymi [376]. S. Zima [496] pdaje, że pierwsze próby dlewania tłków z metali lekkich miały miejsce w Niemczech w rku We Francji z klei, jak dntwuje t E.V. Dewhirst [98], p raz pierwszy zastswane zstały tłki ze stpów aluminium kł 1911 r. Inne źródła (np. [368, 530]) wskazują natmiast, że wprwadzenie tłków z lekkich stpów miał miejsce niec później w 1912 rku. Najstarsza prawdpdbnie publikacja, dtycząca prpzycji zastswania stpu aluminium (z ddatkami 4 6% Mg raz niewielkich ilści miedzi, krzemu i żelaza jak typwych zanieczyszczeń) na tłki samchdwych silników spalinwych, autrstwa E. Gruenewalda (USA) [145], pchdzi z rku Mniej więcej w tym samym kresie w Eurpie na tłki silników spalinwych stswan stpy układów: Al-Zn, Al-Zn-Cu, Al-Zn-Cu-(Fe)-(Si) (tabela 2.2) raz Al-Cu-Zn (7% Cu i 3% Zn) [119, 145, 496]. Pierwsze twrzywa tłkwe na snwie aluminium były więc w zasadzie bezniklwymi; nie psiadały ne handlwych znaczeń, a charakteryzwała je najczęściej nazwa tłków (tabela 2.3); wyjątek stanwił stp układu Al-Zn-Cu-Fe nazwie Lynite 145 raz niektóre stpy aluminium z magnezem raz niklem i innymi pierwiastkami przejściwymi (vide tabela 2.4). Tabela 2.2. Przykładwy skład chemiczny tłka silnika ltniczeg typu Basse & Selve (Niemcy) z 1918 rku [496] Skład chemiczny, [% wag.] Zn 15,62 Si 0,87 Pb 0,01 Cu 1,00 Mg 0,26 Ti 0,03 Fe 1,34 Mn 0,01 Al pzstałe Uwaga! Twardść stpu wynsiła 121 [HB] Tabela 2.3. Charakterystyka stpów tłkwych nagrdznych w 1921 r. w Niemczech [496] Skład chemiczny, Nazwa tł ków [% wag.] GEK Hirth B Hirth GEA Al 82,8 83,6 12,0 Cu 13,5 14,6 14,0 Fe 1,2 1,6 Si 0,3 0,7 0,4 Zn 0,6 Pb 0,1 Mg 86,2 88,0 Twardść, [HB] Spsób wyknania tłczenie dlewanie kkilwe dlewanie kkilwe tłczenie 25

27 Tabela 2.4 zawiera zestawienie innych stswanych w pierwszej płwie XX wieku stpów tłkwych na snwie aluminium, psiadających znaczenie i/lub markę handlwą. Pewną ich część stanwiły stpy granicznej zawartści niklu raz stpy bezniklwe. Tabela 2.4. Oznaczenia raz skład chemiczny znanych w pierwszej płwie XX wieku najważniejszych grup aluminiwych stpów tłkwych (pracwanie własne na pdstawie prac [5, 47, 119, 156, 159, 185, 214, 216, 219, 260, 262, 329, 356, 376, 450, 472, 496]) Grupa stpów 1) Oznaczenie raz infrmacja ddatkwa Skład chemiczny, [% wag.] Si Cu Ni Mg Mn Fe Pzstałe Al-Zn-Cu-Fe Lynite 145 2) 2,75 (2,5) 1,0 (1,2) Zn: 6 8 (10) Mahle hatte 4,7 8,3 Al-Mg-Si- Nüral 515 1,0 5,0 (Cu)-(Fe)-(Ni) KS 597, ML39, V22,V23 1,0 5,0 0,0 1,2 0,0 1,7 5,0 7,5 0,0 1,0 0,3 1,7 Stp amerykański (wg [145]) 4,0 6,0 Aerlite 12,0 2,0 Amerykański stp, S.A.E. 30 4,0 15,0 (8) Angielski stp 12,0 Birmal L8, Brg 11,0 13,0 2,0 Al-Cu 3) KS 155 9,0 10,0 0,3 Mahle ,0 ~ 0,5 Nelsn-Bhnalite 0,3 9,0 10,0 0,5 1,0 Nvalite G97 13,0 2,0 Nüral 122, Amerykański 122 0,5 9,25 10,75 0,15 0,35 0,1 0,7 1,5 Variierte, amerykańskie stpy ~ 0,5 12,0 16,0 < 0,5 0,5 1,0 W.O ,3 1,0 Aer Pistns (Japnia, 1942) 3,93 1,67 1,37 Aer Pistns (Niemcy, 1942) 0,07 3,54 1,75 1,37 0,36 Y, W41, Nüral 142 0,5 3,5 4,5 1,7 2,3 1,2 1,7 0,1 0,9 Al-Cu-Ni-Mg 4) Hiduminium, RR53 1,25 2,25 1,3 1,6 1,4 0,1 Ti RR 59 < 1,3 1,5 3,0 0,5 1,5 1,6 1,0 1,5 0,2 Ti 2 L42 0,75 2,2 1,2 1,5 1,2 Ti 0,05 Magnalite 0,5 2,5 1,5 1,5 Sand & Die Pistns 2,0 (max.) 1,3 2,5 0,5 1,7 0,7 1,7 0,8 1,3 Steward Lumine 5 1,75 4,0 4,0 Al-Cu-Si-(Ni) lub Al-Si-Cu-(Ni) Al-Si-Cu- (Ni)-Mg (pdi kłeutektyczne) AS II 0,50 1,25 1,5 2,5 0,5 1,5 1,4 1,8 0,5 1,2 1,5 0,075 1,0 Ti AЛ25 (GOST ) 5) 4,5 6,0 5,0 7,0 0,5 0,5 1,2 Zn 0,5 Lynite-Birmalite, Titanal 4,3 12,0 0,3 S.A.E ,5 7,0 0,2 0,3 0,4 0,6 Sylcum 9,0 7,3 1,4 0, a 9,0 11,0 2,0 2,8 0,2 0,4 0,8 1,3 0,7 0,8 0,5 Zn Aer Pistns (Niemcy, 1942) 11,5 1,0 1,0 1,1 0,02 0,5 Al-Mnpl (Szwajcaria) 13,3 4,6 0,5 0,15 Central A 11,0 12,0 2,5 2,5 1,25 1,25 Ti 0,20 ČSN ) 11,5 13,0 0,8 1,3 1,0 2,0 0,8 1,3 Hiduminium S.12 7) 11,5 13,0 0,7 1,3 0,7 1,3 0,8 1,5 0,6 0,6 KS ,0 4,5 1,5 0,7 < 1,0 < 0,5 L-Ex (wg [262]) 14,0 0,9 2,0 1,0 L-Ex (wg [119, 216, 356]) 12,0 14,0 0,6 1,0 2,3 2,7 0,4 1,1 1,0 Lw Therm. Ex-Pistns 12,0 0,8 2,5 1,0 0,8 Mahle 124, KS 1275, Nüral ,0 13,0 0,8 1,5 0,8 1,3 0,8 1,3 0,2 0,6 Mahle 124H, KS ,0 13,0 0,5 0,5 1,5 0,5 0,5 Nvasil 124, Junkra & Ferber 11,5 13,5 0,5 1,3 0,5 1,3 0,8 1,5 Nüral 132 a/c 12,2 13,5 0,7 1,2 0,8 2,2 0,8 1,5 0,3 0,8 Nüral ,5 14,5 1,2 1,7 0,7 1,2 0,7 1,0 0,3 0,5 0,8 Pallas AEG Berlin 12,0 4,5 1,5 0,7 1,4 1,6 0,5 1,0 Panseri 11,5 1,0 4,5 0,4 Red X 13 (USA) 12,0 2,0 0,5 0,4 Special Silumin 12,0 0,9 2,5 1,0 132 Aluminium C. 14,0 0,9 2,5 1,0 1,0 26

28 Grupa stpów 1) Al-Si-Cu- (Ni)-Mg (nadeutektyczne) Al-Si-Cu- Ni-Mg (wyskkrzemwe) Oznaczenie raz infrmacja ddatkwa Skład chemiczny, [% wag.] cd. tabeli 2.4 Si Cu Ni Mg Mn Fe Pzstałe Alusil 20,0 22,0 1,0 2,0 0,7 0,7 Alsia (Francja) 20,0 1,5 2,5 Alusil ,0 1,0 1,0 1,0 0,7 Diatherm 17,0 3,0 Hypersilicn (Lw Exp.) 22,0 2,0 KS 280 8), Hepsil 20,0 22,0 1,5 1,5 0,5 0,8 0,6 0,6 C 1,2 KS 281 8) 19,0 21,0 1,0 1,7 0,3 0,8 1,2 1,8 0,5 0,9 KS ,0 1,5 0,5 0,8 0,6 C 0,5 Mahle , 0 18,0 1,0 1,0 1,0 0,6 Nüral ,5 17,5 0,8 1,2 3,2 3,6 0,7 1,2 0,4 0,6 0,8 Cr: 0,4 0,6 Si 20 18,0 22,0 1,1 1,6 0,8 1,1 0,5 0,8 0,5 1,4 0,3 Zn Supra 20,0 5,0 2,0 0,5 1,0 Mahle 244, KS 282, Nüral ,0 26,0 1,0 2,0 1,2 1,8 0,5 0,9 0,2 C: 1,0 1,5 1) w nawiasach pdan pierwiastki mgące być pżądanymi ddatkami stpwymi lub zanieczyszczeniami; 2) dla stpu Lynite 145 drugi jeg wariant pdan w nawiasach; 3) mgą zawierać Mg, Mn i Fe, jak pżądane ddatki stpwe; 4) w stpach układu Al-Cu-Ni-Mg żelaz niekiedy był celw wprwadzane jak ddatek stpwy; 5) nie należy mylić z późniejszym stpem tłkwym tym znaczeniu AЛ25 wg GOST zawierającym (w % wag.): 11,0 3,0 Si; 1,5 3,0 Cu; 0,8 1,3 Ni; 0,8 1,3 Mg; 0,3 0,6 Mn; 0,05 0,20 Ti; 0,8 Fe; 6) późniejsza nrma ČSN , z rku 1987, pdaje inny niec skład chemiczny siluminu tłkweg (w % wag.): 11,0 13,0 Si; 0,5 1,5 Cu; 0,8 1,3 Ni; 0,9 1,3 Mg; 0,3 Mn; 0,15 Zn; 0,8 Fe; 0,20 Ti; 7) stp przeznaczny na tłki kute; 8) współcześnie firma Klbenschmidt GmbH (Niemcy) stsuje stpy skrygwanych składach chemicznych [315, 376] Na ugólniną analizę pdstawwych grup stpów tłkwych, stswanych na świecie w pierwszej płwie XX stulecia, pzwalają zbircze dane tabeli 2.5. Tabela 2.5. Zakresy zawartści ddatków stpwych i/lub zanieczyszczeń w pszczególnych grupach dlewniczych stpów tłkwych pchdzących z pierwszej płwy XX wieku (pracwanie własne na pdstawie danych tabeli 2.4) Grupa stpów 1) Pdstawwe ddatki stpwe i/lub zanieczyszczenia, [% wag.] Si Cu Ni Mg Mn Fe Inne Al-Zn-Cu-(Fe) 2,50 2,75 1,0 1,2 Zn: 6,0 10,0 Al-Mg- 1) (Si)-(Cu)-(Ni)-(Fe) 1,0 5,0 0,0 1,2 0,0 1,7 4,0 7,5 0,0 1,0 0,3 1,7 0,5 2,0 Al-Cu 2) 0,5 4,0 16,0 Al-Cu-Ni-Mg Al-Cu-Si-(Ni) lub Al-Si-Cu-(Ni) Al-Si-Cu-(Ni)-Mg (pd- i kłeutektyczne) Al-Si-Cu-(Ni)-Mg (nadeutektyczne) Al-Si-Cu-(Ni)-Mg (wyskkrzemwe) 0,75 1,75 lub 2,0 0,15 35 lub 0,5 1,0 2,0 lub 0,1 1,3 4,5 0,5 4,0 0,0 1,7 0,1 4,5 9,0 1,5 12,0 4,0 16,0 4,0 16,0 0,5 9,0 14,5 0,5 4,6 0,0 4,5 0,4 1,5 16,0 22,0 0,8 5,0 0,0 3,6 0,0 1,8 0,3 1,6 lub 0,2 0,4 2,0 lub 0,6 lub 1,0 0,8 1,5 lub 0,9 1,2 1,5 lub 1,2 0,5 1,0 lub 0,8 0,5 2,5 lub 1,4 23,0 26,0 1,0 2,0 1,2 1,8 0,5 0,9 0,2 0,5 Zn 1,0 Ti C: 1,2 lub 0,5 C: 1,0 1,5 Cr: 0,4 0,8 1) w nawiasach pdan pierwiastki, które mgą być pżądanymi ddatkami stpwymi bądź zanieczyszczeniami; 2) d stpów układu Al-Cu niekiedy wprwadzan celw Mg i Fe Z zestawienia tabeli 2.5 wynika, iż praktycznie we wszystkich wczesnych grupach stpów tłkwych na snwie aluminium występwały ich bezniklwe warianty (pza wyskkrzemwymi siluminami stpwymi). Stpy układu Al-Cu należą również d jednych z najwcześniej stswanych twrzyw tłkwych na snwie aluminium [137, 219, 496]. Za najstarsze w tej grupie uważane są stpy amerykańskie, zawierające (w %): 4,0 15,0 Cu; 0,5 1,0 (2,0) Fe raz 0,5 Si i Mg [219, 356]. Wszystkie prezentwane w tabeli 2.4 stpy tłkwe układu alu- 27

29 minium-miedź z ewentualnymi ddatkami Fe, Si czy Mg nie zawierały niklu. Opracwany k rku w Ameryce stp 122 składzie chemicznym (w %): 10,0 Cu; 1,1 Fe; 0,2 Mg; pzstałe Al miał szczególne zastswania na tłki silników spalinwych, w stsunku d których zstały wysunięte zwiększne wymagania c d twardści, właściwści ślizgwych raz wytrzymałści w pdwyższnej temperaturze [449]. Od mmentu dkrycia przez A. Wilma [481] w 1906 rku efektu umcnienia stpów aluminium na drdze bróbki cieplnej, pwstaje na świecie cała ich seria, m.in. z przeznaczeniem na tłki, takich marek jak: KS 155, Mahle 101, Nüral 122 raz inne (vide tabela 2.4); miały ne w swim składzie chemicznym prócz miedzi i żelaza ddatki magnezu w ilściach d 0,15 d 0,50%. Stp pd nazwą Nelsn-Bhnalite z pwdzeniem stswany był przez wiele lat na tłki przez amerykańską firmę Frd [219]. W Eurpie pierwszy tłk ze stpu układu aluminium-miedź, zawierający k. 15% Cu, był dlany w 1920 rku w niemieckiej firmie Deutsche Ölfeuerungswerke Karl Schmidt Neckarsulm, natmiast seryjną ich prdukcję rzpczęt rk później [254]. Stpy Al-Cu z ddatkami magnezu i żelaza, p bróbce cieplnej, charakteryzują się stsunkw dbrą wytrzymałścią (R m = ~220 MPa); główne ich niedstatki t: a) stsunkw wyski współczynnik rzszerzalnści cieplnej ( K -1, dla zakresu temperaturweg C), b) skłnnść d puchnięcia, tj. d ddatnich trwałych zmian wymiarwych, pwdwanych prcesami wydzieleniwymi w warunkach eksplatacji [219, 356]. Z pwdu wyskiej zawartści żelaza stpach układu Al-Cu-Fe-(Mg) były ne twarde i kruche, c częst prwadził d pęknięć tłków; dlateg też nigdy nie były standardwym twrzywem tłkwym. Później żelaz zstał zastąpine przez nikiel i kbalt [532]. Histria wprwadzenia niklu d dlewniczych stpów aluminium, w celu pdwyższenia ich twardści, sięga rku 1902 [151]. Krzystny wpływ ddatków Ni na właściwści aluminium raz stpów układu aluminium-miedź w pdwyższnej temperaturze pkazany był już w rku 1915, w pracy A.A. Reada i R.H. Greavesa [351]. W kresie pierwszej wjny światwej ze strny przemysłu samchdweg, jak i ltniczeg, wysuwane były zwiększne wymagania względem części knstrukcyjnych silników spalinwych. W celu pprawy dprnści w pdwyższnej temperaturze pwstają w tym czasie stpy tłkwe układu Al-Cu-Mg z ddatkami niklu [98, 219]. Typwym przedstawicielem tej grupy był pracwany w 1917 rku w Zjedncznym Królestwie przez Nardwe Labratria Fizyczne (ang. Natinal Physical Labratries) stp Y (znaczany również jak W41 czy w Niemczech Nüral 142, vide tabela 2.4), zawierający prócz k. 4% Cu i 1,5% Mg k. 2,0% Ni. Stp ten przez wiele lat był wykrzystywany w Eurpie i na świecie d prdukcji tłków [151, 414]. W Ameryce stp Y z przeznaczeniem na głwice raz tłki wprwadzny zstał d prdukcji pd marką 142 (czy też 2218) w rku 1922 [449]. Z uwagi na deficytwść i ceny niklu, a także częściw miedzi, pdwyższających kszty prdukcji tłków, firma Rlls-Ryce zaczęła stswać bardziej eknmiczne stpy typu Hiduminium (RR53) [219]. Również współcześnie stpy teg typu wykrzystywane są d prdukcji tłków jak: stp MahleY przez firmę Mahle (Niemcy), Stp Y przez Klbenschmidt GmbH (becna nazwa firmy Karl Schmidt GmbH, będąca międzynardwym knsrcjum) raz W41 (LM14, zgdnie z BS 1490 [61]) przez brytyjską firmę Wellwrthy [98, 114, 219]. Stpy układów Al-Cu czy Al-Cu-Ni-Mg stswane były i nadal są stswane d dlewania, jak i kucia tłków. P bróbce cieplnej mają wyskie parametry wytrzymałściwe (R m ) tak w temperaturze pkjwej ( MPa), jak i w pdwyższnej (250 C) temperaturze ( MPa) [356]. Pdstawwymi fazami umacniającymi w tej grupie stpów są: (Al 8 Mg 5 ), ε(al 3 Ni), S(Al 2 CuMg) raz T(Al 7 Cu 4 Ni) [422]. Rzszerzalnść cieplna stpów typu Mahle Y czy W41 pzstaje nadal jednak stsunkw duża [219, 356], tj. na pzimie rzszerzalnści pierwszych stpów układu Al-Cu, z uwagi 28

30 na zdecydwanie mniejsze zawartści w nich Cu (< 4,0%, vide tabela 2.4), pmim wprwadzenia d nich d 0,5 d 2,3 (wyjątkw 4,0)% niklu. Twrzywa tłkwe tej grupy psiadają również niezadwalające dlewnicze właściwści: szczególnie dużą skłnnść d pękania na grąc raz pdatnść d występwania rzadzizn i pęcherzy gazwych. Dlateg też współcześnie stsuje się je raczej d prdukcji tłków wytwarzanych metdami przeróbki plastycznej. W stpach tłkwych układu Al-Cu-Ni-Mg nie znajdujemy przykładów stpów szczędnściwych (w tym bezniklwych). Ptrzeba bniżenia współczynnika rzszerzalnści cieplnej dprwadza d pwstania nwej grupy stpów tłkwych układów Al-Cu-Si-(Ni) i Al-Si-Cu-(Ni) (vide tabela 2.4). Występują tutaj takie bezniklwe stpy, jak: Lynite-Bermalite, Titanal raz AЛ25 (wg starej nrmy GOST z 1917 r.; współcześnie ten statni stp, niec zmdyfikwany, znaczany jest jak AЛ10B [340, 422]). Właściwści mechaniczne tej grupy stpów tłkwych wahają się, w dść szerkich granicach, w zależnści d pzimu zawartści pdstawwych ddatków stpwych (Cu, Si i Ni) i/lub zanieczyszczeń [340]. Pmim że zawierają krzem w ilściach d 4,5 d 9,0%, sprzyjający w dniesieniu d stpów układu Al-Cu zmniejszeniu wagi tłków, charakteryzują się ne nadal dużym liniwym współczynnikiem rzszerzalnści cieplnej: 22, K -1, w zakresie temperatury C [340, 356, 422]. Główną jednak przyczyną sytuacji awaryjnych tłków z teg typu stpów były trwałe zmiany wymiarwe, pwdwane prcesami wydzieleniwymi cząsteczek fazy θ(al 2 Cu). Badania wykazały, że pęcznienie tych stpów p bróbce cieplnej T6 (przesycanie + starzenie) był d 2 d 4 razy większe niż w stanie wyjściwym (p dlewaniu) [340, 422]. Stąd z czasem uwaga badaczy i knstruktrów skierwana zstała w strnę wykrzystywania d prdukcji tłków siluminów bardziej stabilnych wymiarw ( większych zawartściach krzemu), dlewanych d kkili (c dawał dpwiedni stpień ich przesycania) i pddawanych jedynie sztucznemu starzeniu (bróbka typu T5). Chciaż siluminy znane były już w drugiej płwie XIX wieku, intensywne prace badawcze nad tymi twrzywami rzpczęły się dpier na pczątku ubiegłeg stulecia [336]. Niemała część pracwań w tym zakresie miała dniesienie d twrzyw tłkwych [98]. Odkrycie w 1926 r. przez A. Pacza efektu mdyfikacji pd- i kłeutektycznych stpów Al-Si za pmcą metaliczneg sdu [294], przyczynił się d pracwania i znaczneg rzpwszechnienia w USA w tym czasie dlewniczeg siluminu; zawierał n (w %): 10,0 13,0 Si; 0,6 Mg, Mn i Fe; pzstałe Al + max. 0,2 typwych zanieczyszczeń [261]. W Eurpie stp ten miał inne kreślenia; w Niemczech przyjęła się nazwa silumin, natmiast we Francji Aladar [122, 156, 255]. S. Anczyc [9] kreślenie silumin przypisuje plskiemu ucznemu prf. Janwi Czchralskiemu, który w tym czasie pracwał w Niemczech [89]. Na pczątku lat 20. ubiegłeg wieku niemiecka firma Karl Schmidt GmbH jak pierwsza stsuje stpy tłkwe na snwie układu aluminium-krzem. W 1924 rku zstaje pracwany, a następnie patentwany kłeutektyczny (12,0 14,0% Si) silumin stpwy KS 245 (przedstawiciel ówczesnych L-Ex stpów), z przeznaczeniem na tłki raz łżyska [47, 214, 376, 496]. Na przełmie lat 1926/1927 wprwadzny zstał d prdukcji w firmie Karl Schmidt GmbH nadeutektyczny silumin KS 280 (20,0 22,0% Si, vide tabela 2.4), chętnie stswany na tłki wyskbciążnych silników benzynwych raz silników Diesla (szczególnie dwusuwwych) [214, 376]. Lata były tym kresem, w którym siluminy tłkwe zaczęły w isttnym stpniu wypierać stpy aluminium z miedzią. W rku 1930 pracwany zstaje kłeutektyczny silumin KS 1275, jak eknmiczna względem miedzi i częściw niklu alternatywa stpu KS 245 (vide tabela 2.4). Opracwane przed drugą wjną światwą stpy KS 1275, Mahle 124 i Nüral 3210 z pwdzeniem wykrzystywane są również współcześnie, znajdując zastswanie 29

31 d dlewania tłków nisk- i wyskprężnych silników spalinwych [376]. Chrnlgię wprwadzania siluminów stpwych d prdukcji tłków w Niemczech w pierwszej płwie XX wieku pkazuje tabela 2.6. Tabela 2.6. Siluminy tłkwe stswane w Niemczech w latach przez firmy Karl Schmidt GmbH, Mahle raz Nüral [119, 214, 262, 376] Charakterystyka Rk wprwadzania stpu d prdukcji tł ków Symbl AlSi13CuNiMg AlSi21CuNiMg AlSi12CuNiMg AlSi18CuNiMg AlSi21CuNiMg AlSi25CuNiMg AlSi18CuNiMg Oznaczenie handlwe KS 245 KS 280 KS 1275 Mahle 124 Nüral 3210 Mahle 138 Nüral 1761 KS 281 KS 282 Mahle 244 Nüral 2361 KS 283 *) *) Silumin tłkwy KS 283, w przeciwieństwie d bardziej eknmiczneg wariantu stpu Mahle 138 (vide tabela 2.4), zawiera nminalnie (w % wag.): 18 Si, 4 Cu, 3 Ni, 0,5 Mg, 0,7 Mn, 0,7 Fe, pzstałe Al [203, 214]; pdbnie jak Nüral 1761 był n typwym przedstawicielem L-Ex stpu teg kresu. W Anglii prace nad wdrżeniem siluminów stpwych d prdukcji tłków rzpczęt w 1930 rku [98]. Mniej więcej d teg sameg czasu w USA wprwadzn d maswej prdukcji tłków silników samchdwych stp A132, zawierający nminalnie (w %): 12,0 Si; 2,5 Ni; 1,2 Mg; 0,8 Cu; pzstałe Al [151]. Pwyższe zestawienie raz analiza danych tabel 2.4 i 2.6 pkazują, że większść siluminów tłkwych pracwanych w pierwszej płwie XX wieku zawierała nikiel. Spśród kłeutektycznych ich przedstawicieli znajdujemy jedynie dwa bezniklwe warianty: stp Al-Mnpl (Szwajcaria) raz amerykański Red X13 (vide tabela 2.4); szczędnściwymi z uwagi na Cu i Ni są tutaj niemieckie stpy Mahle 124H i KS 738. Więcej teg typu reprezentantów dnajdujemy natmiast w pdgrupie nadeutektycznych siluminów. W 1943 rku niemiecka firma Karl Schmidt GmbH patentuje [418] szczędnściwy ze względu na miedź i nikiel stp przeznaczny na tłki i części maszynwe. Stp według wynalazku [418] winien zawierać (w %): 8,0 25,0 Si; 0,3 1,5 Mg; 0,3 2,0 Mn; resztę Al. Zgdnie z pczyninymi w pisie patentwym zastrzeżeniami, w prpnwanym siluminie dpuszcza się becnść Ni i C maksymalnie d 2%, a także d 0,3% Ti i Cr. Mżna przypuścić, iż druga wjna światwa była tą cezurą, która wyznaczyła pczątek szczędnści niklu w stpach aluminium. Szczególnie intensywny rzwój badań nad tym zagadnieniem nastąpił jednak w drugiej płwie ubiegłeg wieku. Szybkiemu wdrżeniu stpów aluminium d przemysłwej prdukcji części samchdwych raz samltwych (ltniczych), w tym także na tłki silników spalinwych, sprzyjały dkrycia dknane w pierwszej płwie XX wieku w dziedzinie metalznawstwa i dlewnictwa zaprezentwane chrnlgicznie w tabeli 2.7. Tabela 2.7. Kalendarium wydarzeń z pierwszej płwy XX wieku, które przyczyniły się d rzwju stpów aluminium (pracwanie własne na pdstawie materiałów źródłwych) R k Autr (kraj pchdzenia) (Autr nieznany) (Niemcy) K. CLAESSEN (Francja) Charakterystyka W Niemczech przyznan patent na Spsób uszlachetniania stpów aluminium pprzez nagrzewanie i przesycanie (hartwanie). Pkazan, że wytrzymałść na rzciąganie dlewanych stpów Al-Cu, pddanych przesycaniu, wzrasta 1,5 raza. Pierwsze próby kkilweg dlewania detali innych niż tłki ze stpu aluminium zawierająceg 4% Cu. Wskazan temperaturę przesycania daneg stpu na: 525 ±25 C. Źródła literaturwe [281] [228] Uwagi Jak pdaje I.I Nvikv [281], już w 1900 r. A.A. Baykv pkazał na przykładzie stpów układu Cu-Sb, że zdlnść d hartwania prócz stali mają także stpy metali nieżelaznych. Odlewanie d frm trwałych (kkili) w 1920 rku był, wg J.R. Bdine [46], już wielce zaawanswane. 30

32 R k Autr (kraj pchdzenia) A. WILM (Niemcy) RAENKEL 2) (Francja) J. FRILLEY ( ) E. GRUNEWALD (USA) P. MERICA (USA) A. PACZ (Węgry) G.W. BOONE (USA) R.F. CARVER (USA) B. OTANI (USA) W. ROSENHAIN 4) (W. Brytania) A. PACZ (Węgry) J.A. Jr. NOCK (USA) M.J. SUHR (USA) (Autr nieznany) (Niemcy) J. CZOCHRALSKI (Plska) J. KACZYŃSKI (Plska) A. CIBULA (USA) C. ONITSCH (USA) E. M. MODL (USA) Charakterystyka Odkrycie efektu umcnienia stpu Al-Cu (4%) z ddatkami 0,5% Mg i 0,5% Mn na drdze zastswania pełnej bróbki cieplnej (przesycanie + starzenie). Rzpczęcie badań nad układem aluminiumkrzem. Zabserwwanie zmdyfikwanej struktury stpu układu Al-Si, przy jednczesnej redukcji tlenku glinu i krzeminki na drdze elektrlizy. Zamiana spsbu wytwarzania tłków: z dlewanych w frmach piaskwych na dlewane w frmach metalwych (kkilach). Ujawnienie istty starzenia stpów aluminium (na przykładzie duraluminium), łącząc ich umcnienie z pjawianiem się w mikrstrukturze dyspersyjnych międzymetalicznych faz. Odkrycie zjawiska mdyfikacji eutektyki krzemwej siluminów, pd- i kłeutektycznej zawartści Si, przy wprwadzeniu d kąpieli niewielkich ilści metaliczneg sdu. 3) Pczątek stswania zabiegu rzdrabniania ziaren stpów aluminium, pprzez wprwadzanie metaliczneg tytanu bezpśredni d pieca. Opracwanie pierwszeg w USA fragmentu układu równwagi fazwej Al-Si. Kntynuacja na szerszą skalę badań raz przemysłwych zastswań związanych z wpływem niewielkich ilści tytanu (wprwadzaneg d ciekłeg metalu) na rzdrbnienie ziaren α Al - rztwru stałeg w aluminium i jeg stpach, a w knsekwencji na pprawę ich mechanicznych właściwści. Wynalezienie i patentwanie metdy mdyfikacji krzemu pierwtneg i rafinacji nadeutektycznych siluminów za pmcą pięcichlrku fsfru (PCl 5 ). Badania i dkrycie efektu strntu (Sr), jak zamiennika sdu, przy mdyfikacji eutektyki krzemwej stpów Al-Si 5). W wyniku prac A. Cibula, pd kniec lat 40. XX w., zapczątkwan wprwadzanie d ciekłeg stpu Al rzdrabniaczy ziaren α Al - rztwru stałeg w pstaci tabletek, zawierających głównie: KBF 4 i KTiF 6 raz braks. Na I Światwym Kngresie Metalurgicznym zakmunikwan, iż miedź fsfrwa (CuP) pdbnie jak pięcichlrek fsfru (PCl 5 ) krzystnie wpływa na kształt i rzdrbnienie kryształów krzemu pierwtneg w nadeutektycznych siluminach tłkwych. Źródła literaturwe [281, 481] [336] [93] [145] [281] [294, 336, 337, 394] [56] [290, 503] [279, 295, 363, 424] [376] [90] [76] [288, 360] cd. tabeli 2.7 Uwagi Niektórzy autrzy pdają za datę dkrycia A. Wilma rk 1907 [46, 243, 337 1) ], a nawet 1909 [156]. Ukńczenie pracy przez Raenkela miał miejsce w 1920 rku. Spstrzeżenie t dał pczątek pszukiwanim efektywnych spsbów uszlachetniania (mdyfikacji) grubziarnistej, kruchej eutektyki krzemwej. Knwersja ta pzwliła na uzyskiwanie bardziej jednrdneg, pd względem strukturalnym, stpu tłkweg większej wytrzymałści ( k. 25%) i twardści. Efekt jednej z dmian tzw. dyspersyjneg umcnienia, pwstająceg pdczas prcesów wydzieleniwych z przesycneg rztwru stałeg. Odkrycie A. Pacza miał miejsce w USA; patent trzymał n w rku Infrmacje pchdzą z publikacji z 2002 r., zamieszcznej w Przeglądzie Odlewnictwa Nr 5/2000 [480]. Fragment układu Al-Si bejmwał zakres zawartści Si d 0,0 d 22% raz przedział temperatur C [503]. Infrmacje pchdzą głwnie z pracy G.K. Sigwrtha i T.A. Kuhna [395]. Współautrami publikacji [363], z 1930 r., prócz W. Rsenhaina byli J. Grgan i T. Schfield. Metda zastswana zstała przy prdukcji tłków w firmie Karl Schmidt GmbH; wykrzystywana jest praktycznie d dzisiaj [376]. Na pinierską pracę Plaków zwraca uwagę znany francuski specjalista i badacz w dziedzinie stpów aluminium R. Prtelier [336]. Na pdstawie infrmacji zaczerpniętej z publikacji A.J. Whiteheada [480]. Od teg mmentu na świecie raz w Plsce 6) rśnie znacząc ilść zastswań nadeutektycznych siluminów na tłki (szczególnie silników wyskprężnych). 1) w rzeczywistści R. Prtalier [337] pdaje przybliżny czas dkrycia A. Wilma, tj. na przełmie lat 1907 i 1908; 2) autr bliżej nieznany; 3) w pracy [51] dntwan, iż już w rku 1896 Francuz Mint zauważył pzytywny wpływ niewielkich ilści sdu na rzdrbnienie wydzieleń krzemu w stpach układu Al-Si; 4) autrzy wymienieni zstali w klejnści chrnlgicznej pjawienia się publikacji; 5) pwszechne wprwadzenie Sr jak zamiennika Na, na skalę przemysłwą nastąpił jednak dpier w latach 60. i 70. XX wieku [3, 93, 252, 336, 444]; 6) Lech Z.: Mdyfikacja nadeutektycznych stpów aluminiw-krzemwych. Przegląd Odlewnictwa, Nr 10, 1963, s

33 Szczególnie gdny pdkreślenia w tym miejscu jest fakt, iż światwej sławy plski uczny i eksperymentatr prf. J. Czchralski ( ) wraz ze współpracwnikiem J. Kaczyńskim mają niemały wkład d rzwju badań nad siluminami [89, 90, 336] Współczesne mnlityczne szczędnściwe siluminy tłkwe Już na pczątku drugiej płwy ubiegłeg wieku nikiel i kbalt były w kręgu zaintereswania metalurgów. Uważan, że pierwiastki te z uwagi na wyską cenę raz duży ciężar właściwy pwinny być graniczane w lekkich stpach, birąc pd uwagę ptymalne krzyści, jakie zapewniają [98]. W 1955 r. brytyjski kłeutektyczny silumin tłkwy LM13 zawierał zgdnie z bwiązującą wówczas brytyjską nrmą (BS 1490) nikiel d 2,0 d 3,0%; jednakże siem lat później, w wydaniu teg standardu z 1963 r., granice stężeń Ni były niższe: 0,7 2,5% [98]. Późniejsza edycja BS pkazuje, że zawartść niklu w stpie LM13 zstała jeszcze bardziej graniczna: 1,5% Ni [61, 114, 327]. Z rysunku 1.2 wynika, że d pczątku lat 50. ubiegłeg stulecia następuje na świecie pwlny, jednakże systematyczny wzrst cen niklu. Efektem teg był pracwanie w wysk rzwiniętych technicznie krajach Eurpy, a także w USA raz Japnii szeregu gatunków nwych, szczędnściwych i głównie bezniklwych siluminów stpwych, przeznacznych na tłki silników spalinwych. Ich zestawienie przede wszystkim w parciu nrmy państwwe, branżwe raz publikacje naukwe znajduje się w tabeli 2.8. Dane tabeli 2.8 wskazują, że pdstawwą klasyfikację współczesnych bezniklwych siluminów tłkwych, pdbnie jak całej ppulacji siluminów tłkwych (pdrzdział 2.2), najlepiej jest przeprwadzać w parciu kryterium zawartści w nich krzemu. Najbardziej liczną reprezentację mają siluminy pdeutektyczne (vide tabela 2.8). Zawartść pdstawwych ddatków stpwych i/lub zanieczyszczeń waha się w nich w zakresach (w %): 7,7 11,5 Si; 1,8 4,0 Cu; 0,1 1,5 Mg; 0,0 1,0 Ni; 0,1 0,7 Mn; 0,0 1,3 Fe; 0,0 3,0 Zn; 0,0 0,25 Ti; pzstałe Al. Mangan raz uważany jest za szkdliwą dmieszkę, innym razem wprwadzany jest celw jak na przykład we francuskim stpie A-S10UG czy włskim SG-AS9C1. Ten statni stp jest interesujący również dlateg, że żelaz traktwane jest w nim jak pżądany ddatek stpwy. Dpuszczalna zawartść cynku w tej pdgrupie siluminów tłkwych sięga pzimu 3,0%; dtyczy t takich bezniklwych przedstawicieli jak: L-2630, A333.0, A383.0 i A384.0 (vide tabela 2.8). Typwym przykładem szczędnściweg siluminu tłkweg, granicznej zawartści niklu (0,1 1,0%), jest japński stp AC 8B [177]. W dawnych Niemczech Wschdnich (NRD) zastswanie miał szczędnściwy (ze względu na Ni) silumin tłkwy, znaczany jak G-AlSiCuNi, następującym składzie chemicznym (w %): 8,5 10,0 Si; 2,2 2,8 Cu; 0,8 1,5 Mg; 0,2 0,4 Ni; 0,3 0,7 Mn; 0,80 Fe; 0,75 Zn; 0,20 Ti; pzstałe Al [203]. Należy zwrócić uwagę na fakt, że bniżeniu zawartści Ni w stpie G-AlSiCuNi, w dniesieniu d tradycyjnych siluminów tłkwych z niklem, twarzyszy becnść manganu jak pżądaneg ddatku stpweg (pdbnie jak we francuskim stpie A-S10UG), a także pdwyższne zawartści miedzi. Pśród nie tak licznej grupy kłeutektycznych szczędnściwych względem Ni siluminów tłkwych, jak typwe wymienić mżna dwa amerykańskie stpy: SAE 321 raz SAE 334 (vide tabela 2.8). Różnią się ne nieznacznie zawartścią miedzi raz rlą manganu: ile w pierwszym stpie średnia zawartść Cu wynsi 1,5%, t w drugim (SAE 334) 2,25%; pnadt w stpie SAE 321 wymagana jest becnść manganu w granicach 0,5 0,9%, natmiast w drugim (SAE 334) traktwany jest n jak typwe zanieczyszczenie ( dpuszczalnej zawartści 0,5%). W rku 1983 w b. ZSRR zaprpnwan [63] bez- 32

34 Tabela 2.8. Zestawienie szczędnściwych bezniklwych raz z graniczną zawartścią niklu [Ni 0,80 1,00 (max. 1,5)% wag.] siluminów p chdzenia zagraniczneg, stswanych d prdukcji tłków p 1950 rku (pracwanie własne, na pdstawie materiałów źródłwych) Oznaczenie stpów Kraj pchdzenia S k ł a d c h e m i c z n y, [ % wag.] Źródł Si Cu Mg Ni C Cr Mn Fe Zn Ti Inne literaturwe Siluminy pdeutektyczne (7,5 Si 11,5% wag.) A-S10UG Francja 9,2 10,8 1,8 2,6 0,7 1,5 0,25 0,30 0,70 0,60 1,00 0,20 0,20 0,15 L-2630 Hiszpania 7,5 10,0 2,5 4,0 0,30 0,50 0,50 1,30 3,00 0,10 [67, 74, 166, 327] [310, 315, 476] AC 8B Japnia 8,5 10,5 2,0 4,0 0,5 1,5 0,1 1,0 0,30 0,50 1,00 0,50 0,20 [74, 80, 177, 536] AC 8C Japnia 8,5 10,5 2,0 4,0 0,5 1,5 0,50 0,30 0,50 1,00 0,50 0,20 [177] P-ally 1) Japnia 9,37 3,02 0,68 0,01 0,02 0,13 [442] KS 270 Niemcy 9,0 10,5 2,5 3,5 0,7 1,2 0,50 0,50 0,90 0,80 0,20 GK-AlSi9Cu3 Niemcy 8,0 11,0 2,0 3,5 0,1 0,5 0,30 0,10 0,50 0,80 1,20 0,15 0,15 [74, 327] [80, 327, 376, 400] AK9M2 Rsja 7,5 10,0 0,5 2,0 0,2 0,8 0,50 0,10 0,10 0,40 0,90 1,20 0,05 0,20 [74, 134, 367] AlSi9Cu3 Szwecja 8,0 11,0 2,0 3,5 0,1 0,5 0,30 0,1 0,5 0,80 1,20 0,15 0,15 [327] ) (F332, F132) USA 8,5 10,5 2,0 4,0 0,5 1,5 0,50 0,50 1,20 1,00 0,25 0,50 [7, 94, 98, 107, 155, 250, 197, 310, 400, 476, 536] USA 8,0 10,0 3,0 4,0 0,05 0,50 0,50 0,50 1,00 1,00 0,25 0,50 [7, 98, 197] A333.0 USA 8,0 10,0 3,0 4,0 0,05 0,50 0,50 0,50 1,00 3,00 0,25 0,50 [7, 498] A383.0 USA 9,5 11,5 2,0 3,0 0,10 0,30 0,50 1,30 3,00 0,50 [7, 74, 498] A384.0 USA 10,5 12,0 3,0 4,5 0,10 0,50 0,50 1,30 3,00 0,50 [7, 197, 498] SG-AS9C1 Włchy 8,3 9,7 0,8 1,3 0,3 0,6 0,20 0,20 0,50 0,80 0,80 0,10 0,20 0,90 [327] LM26 W. Brytania 8,5 10,5 2,0 4,0 0,5 1,5 0,50 0,50 1,20 1,00 0,20 0,15 [114, 107, 310, 327, 400]

35 Oznaczenie stpów Kraj pchdzenia cd. tabeli 2.8 S k ł a d c h e m i c z n y, [ % wag.] Źródł Si Cu Mg Ni C Cr Mn Fe Zn Ti Inne literaturwe Siluminy kłeutektyczne (10,0 Si 13,0% wag.) LTP ally Chiny 11,0 13,0 1,1 1,3 0,9 1,3 0,3 0,4 0,70 0,20 [245] ZL108 Chiny 11,0 13,0 1,0 2,0 0,4 1,0 0,30 0,3 0,9 0,70 0,20 0,20 Pb 0,05 Sn 0,01 [471, 539] AK12M2 Rsja 11,0 13,0 1,8 2,5 0,7 1,3 0,30 0,50 1,00 0,80 0,20 [134, 367] AK12M3Mг Rsja 12,0 3,0 1,0 1,20 1,20 [80, 63] SAE 321 USA 11,0 13,0 1,0 2,0 0,7 1,3 0,5 0,9 0,90 1,00 0,25 Ni 1,00 [203] SAE 334 3) (Red X 13) USA 11,0 13,0 1,75 2,75 0,7 1,3 0,50 1,00 1,00 0,25 Ni 1,00 [80, 203] (13) 4) USA 11,0 13,0 1,0 0,1 0,50 0,35 2,00 0,50 0,25 [7] A ) (A13) USA 11,0 13,0 1,0 0,1 0,50 0,35 1,30 0,50 0,25 [7] LM13 W. Brytania 10,0 13,0 0,7 1,5 0,8 1,5 1,50 0,50 1,00 0,50 Pb, Sn 0,10 [114, 203, 327, 536] Siluminy nadeutektyczne (16,0 Si 21,0% wag.) KS 281 Niemcy 19,0 21,0 1,3 1,7 1,3 1,7 0,50 0,4 0,6 0,70 0,20 AlSi17Cu3 Szwecja 16,0 18,0 4,0 5,0 0,5 0,6 0,10 0,15 0,30 0,10 0,15 [327] [98, 203, 310, 376] A390.0 USA 16,0 18,0 4,0 5,0 0,45 0,65 0,10 0,50 0,10 0,20 0,20 [7, 29, 155, 498] B390.0 USA 16,0 18,0 4,0 5,0 0,45 0,65 0,10 0,50 1,30 1,50 0,20 0,20 [7, 197, 490, 498] LM30 W. Brytania 16,0 18,0 4,0 5,0 0,4 0,7 0,10 0,30 1,10 0,20 0,20 0,30 [114, 177, 326, 327, 310, 476] 1) Pdan średnie rekmendwane zawartści pżądanych ddatków stpwych; 2) analg stpu Mahle 332 (Niemcy) [250] raz SAE 328 (USA) [203], 3) dpwiada Mahle 334 (Niemcy) [250]; 4) na tłki tzw. przyczepnych silników spalinwych, dlewanych ciśnieniw [7]. Uwaga! W nawiasach pdan starsze znaczenia stpów.

36 niklwy zamiennik stpów AЛ30 i AЛ25 (wg GOST ), znaczny jak АК12М3Мг, z przeznaczeniem na tłki samchdwych silników benzynwych. W późniejszej rsyjskiej nrmie GOST , zmieniającej GOST , wprwadzn jeszcze inny bezniklwy wariant: stp AK12M2 [134, 367]. Przykładem szczędnściweg kłeutektyczneg siluminu tłkweg jest wspmniany już wcześniej brytyjski stp LM13 (vide tabela 2.8). Ostatnia grupa współczesnych przedstawicieli bezniklwych siluminów tłkwych dtyczy stpów nadeutektycznych, zawartściach krzemu w przedziale d 16,0 d 21,0% (vide tabela 2.8) Znrmalizwane stpy AlSi17Cu3 (Szwecja), A (USA) raz LM 30 (W. Brytania) nie różnią się zasadnicz między sbą. W niemieckim stpie KS 281 prpnwane są niższe zawartści miedzi, a mangan występuje jak pżądany ddatek stpwy. Zwiększne dpuszczalne zawartści żelaza ( 1,3%) raz cynku ( 1,3%) w amerykańskim stpie B390.0 każą przypuszczać, iż mżliwe są jeg szczędnściwe warianty tzn. wytwarzane z udziałem surwców wtórnych. Analiza danych tabeli 2.8 uwidacznia, że brak jest znrmalizwanych dpwiedników szczędnściwych (w tym bezniklwych) siluminów tłkwych w zakresach niec nadeutektycznych (13,5 16,0% Si) raz wyskkrzemwych ( 20 21% Si). Niektóre ciekawe przypadki szczędnych w nikiel raz inne drgie i deficytwe pierwiastki przejściwe (na przykład Cr) znaleźć mżna w pisach patentwych pchdzących z lat ; te najbardziej interesujące krótk scharakteryzwan pniżej. Autrzy niemieckieg patentu [10] zaprpnwali pdeutektyczny silumin, z przeznaczeniem m.in. na tłki silników spalinwych, granicznej zawartści niklu. Zalecane zakresy zawartści pdstawwych ddatków stpwych raz zanieczyszczeń stpu według wynalazku [10] były następujące (w %): 8,0 10,5 Si; 2,0 5,0 Cu; 0,3 1,2 Mg; 0,05 2,0 Ni; 0,1 0,6 Mn; 0,1 0,26 Zr; 0,9 Fe; < 0,8 Zn; < 0,2 Ti; pzstałe Al. Pddany próbm eksperymentalny stp, składzie chemicznym dpwiadającym pdanym zakresm, psiadał właściwści mechaniczne (R m, A 5 i HB) w temperaturze pkjwej prównywalne z analgicznymi właściwściami typwymi dla kłeutektyczneg siluminem tłkweg z niklem (typu Al- Si12Cu1Ni1Mg1-Mn0,2Fe0,5Ti0,15); jedncześnie jeg żarwytrzymałść charakteryzwana czaswą 1000-gdzinną granicą wytrzymałści w próbie pełzania, w temperaturze 300 C (R 0,1/1000/300 i R 0,2/1000/300 ) była wyższa niż stpu prównawczeg. Zbliżny, c d składu chemiczneg, inny dświadczalny silumin ( granicznej zawartści Ni), nie zawierający jednak Zr, charakteryzwał się równie wyskim pzimem żarwytrzymałści. Japńscy specjaliści z firmy Mitsubishi w zgłszeniu patentwym [292] prpnują bezniklwy pdeutektyczny silumin stpwy, przeznaczny d pracy w pdwyższnej temperaturze jak zamiennik znrmalizwanych stpów tłkwych AC 8A i AC 8B (wg JIS H [177]) następującym składzie chemicznym (w %): 8,5 11,5 Si; 0,5 4,0 Cu; 0,2 1,5 Mg; 0,4 1,0 Fe; 0,1 0,3 Zr, pzstałe Al. W prpnwanym rzwiązaniu stpu znamienne jest t, że żelaz występuje jak pżądany ddatek stpwy; mgą w nim występwać też niewielkie ilści (0,1 0,3%) chrmu. Prpnuje się pnadt mdyfikwać α Al - rztwór stały za pmcą cyrknu. Jak pdkreślają autrzy zgłszenia [292], Zr plepsza wysktemperaturwe właściwści nweg stpu, w tym dprnść na pełzanie. Przedstawiciele firmy Nrsk Hydr Technlgy B.V. (USA) pracwali i patentwali [19] bezniklwy aluminiwy stp pdwyższnej dprnści na ście- 35

37 ranie. Zalecany skład chemiczny stpu, wg pisu patentweg, jest następujący (w %): 13,0 15,0 Si; 0,8 2,0 Cu; 0,8 1,3 Mg, pzstałe Al + zwykłe zanieczyszczenia. Teg typu stp charakteryzuje się dbrymi właściwściami wytrzymałściwymi raz zadwalającą plastycznścią. Autrzy patentu [19] sugerują, iż stp według jest szczególnie dpwiednim twrzywem na tłki d samchdwych sprężarek pwietrznych. W japńskim patencie [452] zaprezentwan szczędnściwy nadeutektyczny silumin stpwy, dużej dprnści na pełzanie, zawierający (w %): 13,0 20,0 Si; 1,0 3,0 Cu; 0,1 1,0 Mg; 0,1 0,5 Ni i Cr; 0,1 0,3 Ti; pzstałe Al + zanieczyszczenia. Charakteryzuje się tym, że pza miedzią, jak ddatkiem pprawiającym jeg wysktemperaturwe parametry wytrzymałściwe, zawiera niewielkie ilści (pniżej 0,5%) niklu raz chrmu. Przeprwadzne próby pkazały [452], że pdstawwe właściwści mechaniczne prpnwaneg stpu wahają się, w zależnści d knkretneg składu chemiczneg, w dść szerkich granicach: R m d 160 d 320 MPa, A 5 d 0,2 d 0,6%, a twardść wg Brinella d 83 d 117 jednstek HB. Patent amerykański z 1981 rku [374] zawiera prpzycję szczędnściweg względem niklu i chrmu siluminu stpweg, w stanie lanym raz starznym, następującym składzie chemicznym (w %): 5,0 22,0 Si; 0,5 7,0 Cu; 1,5 5,5 Mg; 2,0 8,0 Zn; 1,35 Fe; 0,65 Mn; 0,50 Ni; 0,2 Ti; 0,20 Cr; pzstałe Al + typwe zanieczyszczenia. Preferwane zakresy zawartści pdstawwych ddatków stpwych według pisu patentweg winny dpwiadać znanemu siluminwi tłkwemu F-132 (332.0 vide tabela 2.8), z tym że zawartść magnezu mże wzrastać d nminalnej (~1,0%) d ~3,0%, natmiast cynku dchdzić nawet d pzimu 5,5%. Prpnwany stp w stanie starznym (T5: 205 C; 7 9 h) psiada pdbne d stpu prównawczeg mechaniczne właściwści (np. HB: BHN); ddatkw charakteryzuje g minimalna zmiennść wymiarów pdczas prcesu bróbki cieplnej: mniejsza niż 0,001 /cal [374]. Na pczątku lat 90. ubiegłeg stulecia w Plsce dknan przy udziale autra niniejszeg pracwania zgłszenia patentweg [131], w którym prpnuje się szczędnściwy silumin stpwy, z przeznaczeniem m.in. na tłki, głwice i blki cylindrów silników spalinwych, następującym składzie chemicznym (w %): 8,0 26 Si; 1,5 4,0 Cu; 0,6 Mn; 0,9 Fe; 1,0 Ni; 1,0 Zn; pzstałe Al + zanieczyszczenia. Prpnwany stp, zgdnie z wynalazkiem [131], znamienny jest tym, że zawiera pnadt magnez w ilściach d 1,5 d 4,0%. Charakteryzują g dbre fizykchemiczne (w tym mechaniczne) właściwści, a także wyska stabilnść wymiarwa. Okłeutektyczny wariant teg stpu pzytywnie przeszedł badania na hamwni w ZNTK Nwy Sącz S.A. na tłkach silnika lkmtywweg typu SM42 [85]. W USA na dlewane w frmach piaskwych tłki, z przeznaczeniem d sprężarek pwietrznych, rekmendwane są bezniklwe siluminy stpwe typu i C355.0 (vide tabela 2.9), znacznie niższych, niż t wynika z tabeli 2.8, zawartściach krzemu [7]. Właściwści mechaniczne stpu C355.0 w pkjwej raz pdwyższnej temperaturze są wyższe d pierwwzru (stpu 355.0) [7]. Zwraca również uwagę zwiększna d 1,10% dpuszczalna zawartść manganu w stpie C355.0, przy jednczesnym graniczeniu maksymalnej zawartści żelaza ( 0,20%). 36

38 Tabela 2.9. Składy chemiczne znacznie pdeutektycznych amerykańskich bezniklwych siluminach tłkwych [7] Oznaczenie stpu Skł ad chemiczny, [% wag] Si Cu Mg Ni Mn Fe Zn Ti Inne 2) Źródł literaturwe ,5 5,5 1,0 1,5 0,4 0,6 0,50 1) 0,50 1) 0,35 0,25 0,15 [7] C ,5 5,5 1,0 1,5 0,4 0,6 1,10 0,20 0,10 0,20 0,15 [7] SAE 356 6,0 7,0 0,25 0,2 0,5 0,50 0,35 0,60 1) 0,35 0,25 0,15 [93, 237] 1) jeżeli zawartść Fe przewyższa 0,45 % wag., zawartść manganu nie mże być mniejsza d płwy jeg (Fe) zawartści; 2) suma innych zanieczyszczeń Uwaga! Według nieaktualnej już plskiej nrmy PN-76/H-88027, w siluminach stpwych zawierających więcej jak 0,5% żelaza, zawartść manganu pwinna być wyższa d 0,25% Bezniklwe siluminy tłkwe specjalneg przeznaczenia W warunkach dużych ciepln-mechanicznych bciążeń tłków mżemy sptkać się z prblemami, kiedy t tradycyjne mnlityczne siluminy nie są w stanie sprstać stawianym wymaganim eksplatacyjnym. Rzwiązaniem jest zastswanie materiałów nwej generacji budwie kmpzytwej lub amrficznej, psiadających wyskie niesptykane dtychczas wśród pwszechnie znanych stpów eksplatacyjne parametry [249, 364, 403, 489]. W przypadku tłków szczególneg wzmcnienia wymagają te strefy, które pracują w ekstremalnych warunkach najczęściej denk raz górna część płaszcza tłka (w klicy rwków pdpierścieniwych i twrów swrzniwych) [403]. Uwzględniając wszystkie dzisiejsze technlgiczne spsby trzymywania tłków na snwie siluminów, rysuje się następujący gólny ich pdział (rys. 2.4) z uwagi na rdzaj składwych elementów wewnętrznej budwy (mikrstruktury). Rys Pdział siluminów tłkwych ze względu na strukturę wewnętrzną [136, 403, 489] Cechą wyróżniającą najnwsze rzwiązania inżynierii materiałwej, w zastswaniach na tłki, jest m.in. spsób przygtwania sameg twrzywa d dalszeg przetwarzania. Bezniklwe siluminy d dlewania kmpzytwych tłków Tłki kmpzytwe wyknywane są pprzez zbrjenie snwy najczęściej w pstaci mnlityczneg, znrmalizwaneg stpu tłkweg specjalnymi włóknami bądź cząsteczkami Al 2 O 3, Al 3 Ni, SiC, SiO 2, grafitu niklwaneg, glinkrzemianów czy ppiłem ltnym (kmpzyty ALFA ) [142, 364, 403]. Według danych literaturwych, większść stpów teg typu zawiera nikiel, jak na przykład: amerykański SAE 339, niemiecki KS 1275 czy japński AC 8A. Mżna znaleźć jednak przykłady wykrzystania w tym celu bezniklwych siluminów tłkwych. Na ważnść aspektów eknmicznych związanych z wytwarzaniem tłków kmpzytwych zwracają uwagę autrzy publikacji [143]. Przeprwadzna w pracy [143] techniczn-eknmiczna analiza pkazuje, że sumaryczne kszty tłków kmpzytwych zależą dla danej technlgii wytwarzania nie tylk d ceny surwca przeznaczneg d zbrjenia, ale i samej matrycy (snwy). Wynika stąd, że zastswanie bezniklwych siluminów, jak snwy tłków kmpzytwych, winn pprawiać ich gólną eknmiczną efektywnść. 37

39 W publikacjach [403, 536] pdaje się, że prefrma typu SAFFIL, wyknywana na bazie tlenku glinu, nasycna zstała metdą infiltracji ciśnieniwej bezniklwym siluminem tłkwym AA332 (wg znaczenia Aluminium Assciatin analg stpu 332.0, vide tabela 2.8) i przebadana pd kątem zmian szeregu właściwści [403]. Współczynnik rzszerzalnści cieplnej pary stp AA332/20% bj. Al 2 O 3 zmalał z 24, K -1 (w zakresie temperatury C) dla stpu w stanie wyjściwym, d 18, K -1 dla kmpzytu. Pzytywne zmiany bserwwan w dniesieniu d: a) wytrzymałści na rzciąganie i ściskanie, b) sztywnści, c) dprnści na zużycie, d) skłnnści d pęknięć na grąc, e) dprnści na szki cieplne raz f) innych właściwści. Przewdnść cieplna warstwy kmpzytwej zmniejszyła się przy tym k. 20%. [403]. W patencie [129] zaprezentwan spsób trzymywania tłków kmpzytwych, z wykrzystaniem technlgii dlewania ciśnieniweg (typu squeeze casting), na bazie bezniklweg siluminu stpweg zawierająceg (w %): 1,0 17,0 Si raz 2,0 5,5 Cu, zbrjneg ceramicznymi włóknami, Preferwane (zawężne) zawartści głównych ddatków stpwych w prpnwanym stpie (jak snwy kmpzytu), zgdnie z pisem patentwym [129], wynszą (w %): 12,0 14,0 Si raz 2,5 3,5 Cu. Grupa chińskich badaczy [245] pracwała bezniklwy kłeutektyczny silumin tłkwy, z niewielkimi (0,04 0,06%) ddatkami lantanu, znaczany jak AlSi12CuMg La(Ti), z głównie przeznaczeniem na wyskwytrzymałe tłki silnika Diesla X611OZ. Badania metalgraficzne uwidczniły wydzielanie się w brębie α Al - rztwru stałeg dyspersyjnych (wielkści kilku mikrmetrów) lantanwych faz międzymetalicznych, a w szczególnści: a) w pstaci złżneg związku, umwnie znaczaneg jak La (Si-Al- O-La-Mg-Cu), zawierająceg d 7 d 14% at. La, temperaturze tpnienia pwyżej 1000 C raz b) niestechimetryczneg wdrku La (LaH 2-3 ), temperaturze tpnienia 773 C. Eksperymenty pkazały znaczący wpływ niewielkich ilści La na dyspersyjne umcnienie stpu w pdwyższnej temperaturze raz plepszenie jeg stabilnści wymiarwej. Efekt umcnienia stpu AlSi12CuMg, spwdwany ddatkiem 0,04 0,06% La, dpwiada w tych warunkach wg autrów [245] zawartścim niklu z zakresu 1,3 1,5%. J.A. Lee i P-Sh. Chen w amerykańskich patentach [240, 241] zgłsili prpzycję nwych kmpzytwych pd- i kłeutektycznych siluminów stpwych, umcninych in situ związkami tytanu i/lub cyrknu raz wanadu, dla wysktemperaturwych zastswań, takich m.in. jak tłki wysilnych silników spalinwych pjazdów samchdwych. Przykładem mże być szczędnściwy, ze względu na nikiel, złżny silumin układu Al-Si-Cu-Mg-(Ni)-(Mn)-(Fe)-Ti-Zr-V, następującym składzie chemicznym (w %): 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 1,20 Ti; 0,12 1,20 Zr; 0,05 1,20 V; 0,05 0,90 Zn; 0,001 0,1 Sr; pzstałe Al [240]. W dniesieniu d innych znanych stpów tłkwych teg typu (vide tabela 2.8), charakteryzuje się n zwiększnymi zawartściami miedzi, a także pdwyższną dpuszczalną becnścią takich pierwiastków, jak: Ti, Zr, V raz Zn. Tytan, cyrkn i wanad w pdwójnych perytektycznych reakcjach z aluminium twrzą pierwtne kryształy związków: Al 3 Ti, Al 3 Zr raz Al 10 V i przy większych zawartściach tych pierwiastków (sięgających 1,20%) spełniają funkcję umacniająceg dyspersyjnie czynnika na granicach ziaren, graniczając w ten spsób rzpad fazy θ(al 2 Cu) raz pprawiając mechaniczne właściwści w pdwyższnej temperaturze. Pwstające przy tym submikrdyspersyjne wydzielenia, rzmiarach nie przekraczających 0,3 m, równmiernie rzłżne są w strukturze snwy stpu. W celu uzyskania pżądaneg efektu umcnienia w tych warunkach, suma Ti, Zr i V nie pwinna przekrczyć pzimu 2,0% [249]. Dla stpu 38

40 takim składzie chemicznym, p dlaniu d kkili, zalecana jest bróbka cieplna (starzenie) parametrach: temperatura C; czas 4 16 h [241]. Według autrów patentów [240, 241], prpnwane stpy charakteryzują się pnadt lepszą stabilnścią wymiarwą w warunkach eksplatacji w prównaniu ze znrmalizwanymi siluminami tłkwymi typu i (vide tabela 2.8). Oszczędnściwe siluminy w technlgii RSP i innych Zgdnie z australijskim pisem patentwym [186] na elementy silników spalinwych (m.in. tłki) prpnuje się bezniklwy silumin stpwy następującym składzie chemicznym (w %): 11,0 20,0 Si; 0,0 4,0 Cu; 0,0 4,0 Mg; 0,0 1,5 Fe; 0,0 0,1 Sr; 0,0 0,1 Na; pzstałe Al + zanieczyszczenia. Pdbneg typu siluminy dlewane są z dużymi prędkściami tak, ażeby: a) szybkść wzrstu fazy stałej mieściła się w zakresie m/s; b) wielkść temperaturweg gradientu na granicy ciekłej i stałej faz winna być w przedziale C/cm. W tych warunkach w strukturze stpu nie występują pierwtne kryształy α Al - rztwru stałeg, czy też krzemu pierwtneg, a wtrącenia Si w eutektyce mają wielkść mniejszą niż 10 m (krzystnie, jeśli są rzędu 1 m lub mniejsze). Twardść wytwrzneg w ten spsób stpu wynsi d 70 d 150 HB głównie w zależnści d zawartści w nim magnezu. Hlenderska innwacyjna firma RSP Technlgy BV [110, 535], w parciu rzwijany prces szybkiej krystalizacji (metdą tzw. meltspinning-u) raz knslidacji plastycznej, feruje nwą kategrię stpów aluminium typu RSA (ang. Rapid Slidified Aluminium), przeznacznych d prdukcji dpwiedzialnych części knstrukcyjnych. Ważną pdgrupę siluminów typu RSA stanwią twrzywa tłkwe układów: Al-Si-Fe-Ni i Al-Si-Cu-Ni; pśród nich występują również bezniklwe dmiany (tabela 2.10). Tabela Bezniklwe siluminy tłkwe (typu RSA) przeznaczne d wytwarzania tłków w technlgii RSP [535] Oznaczenie stpu Skład chemiczny, [% wag] Si Cu Fe Ni Al RSA ,0 22,5 4,5 5,5 pzstałe RSA *) 2 *) 5 *) pzstałe *) średnie zawartści ddatków stpwych Firma RSP Technlgy BV prpnuje d zastswań na tłki również inne bezniklwe warianty stpów na snwie aluminium, takie jak: RSA-205 (AlCu5Mg0,4) raz RSA-905 (AlCu2,5Fe2,5Mg0,5) [535]. Szybka krystalizacja zapewnia pwyższym stpm większe, w stsunku d znrmalizwaneg siluminu tłkweg typu Mahle 124, właściwści mechaniczne (w tym plastyczne) w pkjwej i pdwyższnej temperaturze raz niższe wartści współczynnika rzszerzalnści cieplnej. Metdą szybkieg krzepnięcia, prócz nadmiarweg umcnienia rztwrweg, uzyskuje się efekt znaczneg przechłdzenia stymulująceg zardkwanie, przy jednczesnym spwlnieniu wzrstu zardków [110]. Zastswanie stpów typu RSA w technlgii szybkiej krystalizacji (RSP) daje pnadt mżliwści: a) zmniejszania masy tłków, b) minimalizwania luzów złżenia tłkcylinder raz c) bniżania stpnia zużycia tłków [535]. W Plsce prace badawcze w zakresie wykrzystania prcesu szybkiej krystalizacji i knslidacji plastycznej d wytwarzania wyrbów ze stpów aluminum prwadzne były w statnim czasie w Instytucie Metali Nieżelaznych Oddziale Metali Lekkich w Skawinie [17, 18]. W publikacji z 2005 rku [17], specjaliści teg Instytutu zaprezentwali wyniki 39

41 badań dtyczące wytwrzenia, za pmcą technlgii szybkiej krystalizacji (RSP), bezniklweg siluminu AlSi12Fe5, z przeznaczeniem m.in. na tłki silników spalinwych. Zespół chińskich badaczy pracwał niedawn silumin tłkwy, wytwarzany drgą elektrlityczną, z niską zawartścią tytanu, następującym (nminalnym) składzie chemicznym (w %): 12,7 Si; 1,29 Cu; 0,91 Mg; 0,577 Mn; 0,12 Ti; 0,120 Fe; 0,03 Sr; pzstałe Al [189]. W dniesieniu d większści tradycyjnych (znrmalizwanych) siluminów tłkwych, zwraca w nim uwagę zwiększna zawartść celw wprwadzaneg manganu (d pzimu prawie 0,6%). Według autrów pracy [189] stp tłkwy układu Al-Si-Ti, trzymany specjalnym spsbem, psiada 1,49 razy większą dprnść na ścieranie, w prównaniu d ścieralnści pdbneg bezniklweg stpu, w którym zawartść Ti jest niewielka ( 0,01%). Stwierdzn jedncześnie, że kiedy zawartść Ti sięga pzimu 0,12%, granica plastycznści (R p0,2 ) wzrasta dpwiedni: d 255 d 358 MPa. Innwacyjna i eknmiczna technlgia prdukcji tłków, przełmu XX i XXI wieku, plega na głębkim zagęszczaniu (pprzez kucie) wytwrznych wcześniej stpów metdą rzpylania (ang. spray cmpacted czy spray-frming technlgy). Zastswanie stpów typu AlSi25Cu5Fe2,5Ni2CZr czy AlMg16Si8, pzwala na trzymywanie lżejszych ( 5 10%) raz bardziej cienkściennych tłków, psiadających jedncześnie wyższą k. 25% wytrzymałść w temperaturze 200 C, a także lepszą dprnść na pełzanie [230, 301]. Wydaje się, że i przy tych spsbach prdukcji tłków, mgą znaleźć zastswanie szczędnściwe (w szczególnści bezniklwe) warianty siluminów stpwych. W Japnii na tłki kute, d wyskbciążnych silników spalinwych, zastswanie znajdują przykładw następujące bezniklwe siluminy: a) wytwarzany spsbem ciągłeg dlewania stp AFC (Al-12Si-4Cu-0,5Mg); b) trzymywane metdą metalurgii prszków stpy: AFP10 (Al-10Si-5Fe-1Cu-0,5Mg-1Zr) i AFP20 (Al-20Si-5Fe-1Cu-0,5-Mg-1Zr [208]. Obciążenia cieplne (w temperaturze 150, 250 i 350 C; przez 100 h) nieznacznie tylk wpływają na bniżenie twardści (HRB) stpów AFP10 i AFP20 mierznej w temperaturze pkjwej. W dniesieniu d znrmalizwaneg dlewniczeg siluminu tłkweg z niklem (AC 8A, wg Japanese Industrial Standard [177]), silumin AFP20 psiada wyższe parametry R m i R p0,2 raz większą wytrzymałść zmęczeniwą w całym badanym zakresie temperatury ( C), pdczas gdy stp AFC12 ma wyższe niż prównawczy stp właściwści w temperaturze pniżej 150 C. 40

42 3. Nikiel w siluminach stpwych raz jeg zamienniki Chciaż temat niniejszej rzprawy dtyczy szczędnściwych w tym głównie bezniklwych siluminów tłkwych, trudn jednak pminąć rzważań związanych z becnścią, rlą, a także niezbędnścią niklu w większści znrmalizwanych raz typu L-Ex stpów tłkwych na snwie aluminium. Z przeglądu materiałów źródłwych wynika, że na chwilę becną brak jest kmplekswych pracwań dtyczących daneg zagadnienia, a dstępne publikacje wskazują na istnienie sprzecznych pinii wśród różnych autrów dnśnie wpływu Ni na ważniejsze fizykchemiczne i technlgiczne właściwści; przy tym nierzadk kwestinwana jest jeg niezbędnść w danej grupie stpów. Pwstaje nadt pytanie: jaka jest w danej sytuacji prblemwej alternatywa dla niklu tak z punktu widzenia ważniejszych eksplatacyjnych charakterystyk, jak i eknmicznych krzyści? 3.1. Wpływ niklu na strukturę, fizykchemiczne i dlewnicze właściwści siluminów W systemie klasyfikacyjnym pdwójny wykres równwagi fazwej Al-Ni, zaprezentwany na rysunku rys. 3.1a, należy d stsunkw złżneg układu dystektyczneg z jednym bertlidem [148, 405], którym jest wysktemperaturwy ( temperaturze tpnienia 1638P PC) związek AlNi (61 83% Ni) [16, 22, 253, 263, 310, 314, 315]. AlNi ma prawdpdbnie sieć krystaliczną przestrzennie centrwaną typu RPC (A2) [344], a zgdnie z zasadą W. Hume-Rthery [164] stanwi przykład fazy elektrnwej typu β (CsCl) stężeniu elektrnwym 3/2 [344, 478]. W temperaturze 1133P PC w stpach aluminiumnikiel ma miejsce reakcja perytektyczna: L + AlNi δ(alr3rnir2r) (vide Załącznik); struktura metastabilnej fazy δ stanwi zniekształcną dmianę związku AlNi, w której 1/3 wewnętrznie centrwanych pzycji (Ni) pzstaje niebsadzna [478]. Zgdnie z układem rysunku 3.1a w temperaturze 847P PC ma miejsce przemiana perytektyczna, z pwstaniem stabilnej fazy ε: L + δ(alr3rnir2r) ε(alr3rni); w pbliżu temperatury 640P PC zachdzi natmiast krystalizacja eutektyki, składającej się z wydzieleń αralr- rztwru stałeg raz włókien związku AlR3RNi [16, 22, 253, 268]. Związek ten wyższej d aluminium temperaturze tpnienia (847P PC, vide tabela 3.1) pdczas przemiany eutektycznej spełnia rlę fazy widącej [268, 284]. Rzpuszczalnść niklu w aluminium w stanie stałym (α) jest niewielka i w temperaturze tczenia, w warunkach równwagi fazwej, jeg zawartść nie przekracza pzimu 0,001%; rśnie na natmiast nieznacznie wraz z temperaturą i w bszarze przemiany eutektycznej (640P PC) sięga wartść 0,04 0,05% (0,02% at.) [29, 148, 263, 268, 310, 314, 315, 516]. Maksymalna rzpuszczalnść niklu w ciekłym aluminium wynsi natmiast β = 5,7% (2,7% at.). Mała wartść kryterium rzkładu = / = 0,02/2,7 = 0,0075 (vide pdrzdział 3.2) w rzpatrywanym układzie (Al-Ni) świadczy tym, że eutektyka grmadzi się głównie na granicach ziaren RAlR- rztwru stałeg [148, 405]. Nikiel d 2% zwiększa wytrzymałść aluminium wyskiej czystści, ale bniża plastycznść [516]. Jest n słabym mdyfikatrem aluminium; nie sprzyja zardkwaniu (w celu pwstania RAlR- fazy rztwru stałeg na mikrcząsteczkach związku AlR3RNi, ptrzebne jest przechłdzenie rzędu: 5 10P PC), a także hamuje rzrst pwstałych już ziaren [268]; duże są też różnice w charakterystykach sieci krystalicznej aluminium i fazy ε(alr3rni) vide tabela

43 Tabela 3.1. Skład chemiczny, parametry sieci krystalicznej raz inne fizykchemiczne właściwści pdstawwych faz międzymetalicznych mgących występwać w siluminach tłkwych bezniklwych raz z niklem [7, 29, 31, 32, 152, 155, 195, 263, 268, 289, 303, 314, 338, 357, 417, 493, 498, 507] Faza międzymetaliczna W ł a ś c i w ś c i f a z m i ę d z y m e t a l i c z n y c h 1) Wzór chemiczny fazy Oznaczenie fazy Skł ad chemiczny, [% wag.] Charakterystyka sieci krystalicznej Temperatura Typ struktury Grupa przestrzenna a, [Å] Parametry sieci Ilść atmów b, [Å] c, [Å] c/a α lub β w kmórce elementarnej tpnienia T / t, [K] / [ C] Mikrtwardść HV, Masa właściwa (gęstść) ρ, [g/cm 3 ] [MPa] Al 1) Regularna, αal, Al 100,00 Al ściennie centrwana P6 3 /mmc 4, / ,699 0,370 Si βsi, Si 100,00 Si Regularna, typu diament Fd3m 5, / ,600 0,385 Al2Cu θ 45,92 Al; 54,08 Cu Tetragnalna, I4/mcm 6,0660 4,8740 0, / ,340 0,230 Al4Cu2 θ lub GP1 45,92 Al; 54,08 Cu Tetragnalna 4,0400 5,8000 1, ,120 0,243 Al6Cu2 θ lub GP2 56,02 Al; 43,98 Cu Tetragnalna 4,0400 7,6800 1, ,830 0,261 Al8Mg5 2) Regularna, β 63,98 Al; 36,02 Mg ściennie centrwana Fd3m 28, / ,230 0,448 Regularna, Mg2Si β, M 63,38 Mg; 36,62 Si ściennie centrwana Fm3m 6, / ,990 0,502 Al2CuMg S 38,05 Al; 44,81 Cu; 17,14 Mg Rmbwa Cmcm 4,0100 9,2500 7, / ,550 0,282 Regularna, Al6CuMg4 T 50,17 Al; 19,69 Cu; 30,13 Mg przestrzennie centrwana 14, / ,690 0,372 Al5Si6Mg8Cu2 W lub Q 21,59 Al; 26,96 Si; 31,11 Mg; 20,34 Cu Heksagnalna 10,3200 4,0500 0, ,790 0,358 Al3Fe 59,17 Al; 40,83 Fe Jednskśna C2/m 15,4870 8, , / ,880 0,258 Al8Fe2Si α(alfesi) 6) 60,69 Al; 31,41 Fe; 7,90 Si Heksagnalna P6 3 /mmc 12, , / 860 3,580 0,279 Al5FeSi β(alfesi) 6) 61,65 Al; 25,52 Fe; 12,83 Si Jednskśna 6,1200 6, , / ,110 0,321 Al7Cu2Fe β lub N 50,80 Al; 34,18 Cu; 15,02 Fe Tetragnalna P4/mnc 6, ,8790 2, ,370 0,229 Al8Si6Mg3Fe h lub 42,07 Al; 32,84 Si; 14,21 Mg; 10,88 Fe Heksagnalna P6 3 /mmc 6,6300 7,9400 1, ,820 0,355 Al3Ni 57,97 Al; 42,03 Ni Rmbwa Pnma 6,6114 7,3662 4, / ,950 0,253 Al3Ni2 40,81 Al; 59,19 Ni Heksagnalna P3m1 4,0360 4,9000 1, / ,760 0,210 Al7Cu4Ni 3) Regularna, T, γ 37,64 Al; 50,66 Cu; 11,70 Ni przestrzennie centrwana 14, / ,480 0,182 Al9NiFe 4) ρ 67,95 Al; 16,42 Ni; 15,63 Fe Jednskśna P2 1 /c 6,2070 6,2710 8, / ,530 0,283 Al6Mn 5) 74,66 Al; 25,34 Mn Rmbwa Cmcm 7,5551 6,4994 8,8724 1, / ,270 0,306 Al15Mn3Si2 α(almnsi) 6) Regularna, 64,68 Al; 26,34 Mn; 8,98 Si przestrzennie centrwana Pm3 12, ,550 0,282 Al10Mn3Si β(almnsi) 6) 58,31 Al; 35,62 Mn; 6,07 Si Heksagnalna P6 3 /mmc 7,5130 7,7450 1, ,740 0,267 Al20Mn3Cu2 T 64,90 Al; 19,82 Mn; 15,28 Cu Rmbwa 24, ,5100 7, ,590 0,278 Regularna, Al18Mn2Mg3 72,65 Al; 16,44 Mn; 10,91 Mg ściennie centrwana Fd3m 14, ,830 0,353 Al16Mn3Ni T 65,89 Al; 25,15 Mn; 8,96 Ni Rmbwa Bb2m 23,800 12,5000 7, ,620 0,276 Al9C2 67,32 Al; 32,68 C Jednskśna P2 1 /c 6,2130 6,2900 8, / ,670 0,272 Al7Cr 78,41 Al; 21,59 Cr Rmbwa 24, , , / ,140 0,318 Regularna, Al13Cr4Si4 α 52,27 Al; 30,99 Cr; 16,74 Si ściennie centrwana F43m 10, ,400 0,294 Regularna, Al18Cr2Mg3 E 73,30 Al; 15,70 Cr; 11,00 Mg ściennie centrwana Fd3m 14, ,870 0,348 MgZn2 η lub M 15,67 Mg; 84,33 Zn Heksagnalna P6 3 /mmc 5,1800 8,5170 1, / 590 5,200 0,192 Regularna, Mg2Zn11 Z, υ 6,33 Mg; 93,67 Zn przestrzennie centrwana Pm3 8, / 385 6,160 0,162 Regularna, Al2Mg3Zn3 T 16,71 Al; 22,57 Mg; 60,72 Zn przestrzennie centrwana Im3 14, / ,790 0,264 rztwór stały na bazie aluminium hiptetycznym zerwym udziale zanieczyszczeń; 2) wg L.F. Mndlf [268] związek Al 8 Mg 5 w przeciwieństwie d Al 3 Mg 2 c d składu chemiczneg pkrywa się z zakresami jednrdnści i dpwiada większści danych charakteryzujących strukturę krystalgraficzną danej fazy β; 3) jednrdnść fazy występuje w zakresach zawartści 38,7 50,7% Cu raz 11,8 22,2% Ni [357]; 4) faza Al 9 NiFe mże zawierać 4,5 14,0% Fe i 18 28% Ni [31, 357]; 5) dmiana fazy Al 6 Mn zawierająca żelaz [Al 6 (MnFe)] mże psiadać mikrtwardść HV dchdzącą d 7040 MPa; 6) fazę α(alfesi) znaczan też niekiedy jak α(al 8 Fe 2 Si) czy α-alfesi, pdbnie jak dpwiedni pzstałe fazy typu AlFeSi czy AlMnSi Objętść właściwa γ, [cm 3 /g]

44 (równą a) b) Rys Wykresy równwagi fazwej dla układów: a) Al-Ni [268]; b) Al-Si-Ni, linie pwierzchni temperatury likwidus w narżu bgatym w aluminium [359] W układzie Al-Si-Ni (rys. 3.1b) występuje ptrójna przemiana eutektyczna (ERTR), krzepnąca w temperaturze 567 lub 568P PC, z pwstaniem faz: αralr, RSiR i ε(alr3rni) [310, 315, 359]. Pdaną przez L.F. Mndlf [268] wartść temperatury eutektycznej reakcji ERTR 557P PC), pwtórzną w ślad za nim przez autrów niedawn wydanej publikacji książkwej [498], w świetle dknaneg w niniejszej rzprawie zestawienia (vide Załącznik), uznać należy za błędną. W stpach teg układu nie pjawiają się trójskładnikwe związki [268]. Skład chemiczny eutektyki jest następujący: 11 12% Si, 5% Ni, pzstałe Al [29, 268, 498]. W większści stpów w stanie stałym występują wymienine wyżej trzy fazy [268, 269]. W samym narżu aluminium układu Al-Si-Ni istnieje graniczne jednfazwe ple αralr- rztwru stałeg; pza tym, w pbliżu bków aluminium-krzem i aluminiumnikiel, występują (niewidczne na rys. 3.1b) brzegwe pla dwufazwe: αral R+ RSiR raz αral R+ ε(alr3rni) [310, 314, 315, 381]. Największa równczesna rzpuszczalnść krzemu i niklu w aluminium w stanie stałym (dpwiedni: 0,05% Ni i 1,30% Si) ma miejsce w pbliżu temperatury eutektycznej przemiany i w miarę bniżania temperatury maleje na praktycznie d zera [381]. W becnści niklu rzpuszczalnść krzemu w rztwrze stałym aluminium maleje [268, 269, 498]. Z danych pchdzących z prac [268, 359, 498] wiadm, że w fazie ε(alr3rni) rzpuszczalnść krzemu sięga pzimu d 0,4 d 0,5%. W stpach Al-Si-Mg-Cu nikiel mże twrzyć z miedzią związek międzymetaliczny T(AlR6RCuR3RNi) [310]. Ddatek 0,3 0,4% Ni nieznacznie plepsza rzkład wydzieleń krzemu pierwtneg w siluminach nadeutektycznych [268]. W siluminach miedziwych (układu Al-Si-Cu) z niklem, w temperaturze 630P PC zachdzi perytektyczna przemiana: L + ε(alr3rni) RAl R+ δ(alr3rnicu); przy tym metastabilny związek AlR3RNiCu izmrficznie dpwiada fazie δ(alr3rnir2r), w którym część niklu mże zamieniać miedź [268]. Na jeg bazie w temperaturze 590P PC, wg perytektycznej reakcji pwstaje stabilna trójskładnikwa faza T, której dpwiada związek AlR7RCuR4RNi [32, 268, 310, 314, 315]; niekiedy przypisywane są jej też inne międzymetaliczne związki, tj.: AlR6RCuR3RNi, AlR7RCuR2RNi, AlR9RCuR3RNi [32, 268]. Faza T(AlCuNi) mże twrzyć się także w układzie Al-Cu-Ni, zgdnie eutektyczną przemianą: L RAlR + θ(alr2rcu) + T(AlCuNi), w temperaturze z zakresu ,5P PC [29, 32, 268, 310, 314]. L.F. Mndlf [268] pdaje, że ddatki niklu bniżają prędkść dyfuzji miedzi w aluminium, a za przyczyną utwrzenia nierzpuszczalnej w nim fazy T, zmniejszają stpień rztwrweg, a zatem wydzieleniweg umcnienia stpów Al-Cu. Przeprwadzne badania mikrstruktury siluminu tłkweg LM13 (wg BS1490, analga amerykańskieg stpu SAE 332), metdą mikranalizy rentgenwskiej pkazały [400], że nawet płwa stechimetrycznej zawartści niklu 43

45 w fazie ε(alr3rni) mże zawierać miedź [wówczas dany związek prpnuje się znaczać jak: AlR3R(NiCu)] raz inne pierwiastki, takie jak: Fe, Mn i Si. W stpach układu Al-Si-Mg z ddatkami Ni, pza fazą ε(alr3rni), nie pwstają żadne związki ptrójne. Z pracy [268] wynika, że w stpach Al-Mg i Al-Si-Mg pdbnie jak t miał miejsce w stpach Al-Cu nikiel zmniejsza rzpuszczalnść magnezu w aluminium. Z. Pniewierski [328] wyjaśnia z klei, że ddatki niklu wprwadzne d układu Al-Si-Mg hamują wydzielanie się w pdwyższnej temperaturze z aluminiweg rztwru stałeg fazy β(mgr2rsi), stabilizując tym samym strukturę i sprzyjając zwiększeniu żarwytrzymałści stpu; autr pracy [328] zauważa przy tym, że mechanizm umcnienia stpów w tych warunkach nie jest d kńca jasny. W siluminie magnezwym, pdbnie jak w stpie pdwójnym Al-Mg, w becnści zwiększnych zawartści niklu, w temperaturze 449P PC, mże mieć miejsce następująca eutektyczna reakcja (vide Załącznik): L RAl R+ β(alr8rmgr5r) + ε(alr3rni) [268]. Z klei w stpach Al-Mn raz siluminach manganwych (Al-Si-Mn) z niklem mgą zachdzić dwie przemiany, w których uczestniczy trójskładnikwa faza T(AlMnNi): UperytektycznaU (w temperaturze 645P PC): L + AlR6RMn RAl R+ T(AlMnNi) + ε(alr3rni) raz UeutektycznaU (w 637P PC): L RAl R+ T(AlMnNi) + ε(alr3rni). Najbardziej prawdpdbny wzór chemiczny fazy T jest następujący: AlR16RMnR3RNi; fazie tej dpwiadać też mgą związki: AlR60RMnR11RNiR4 Ri AlR62RMnR13RNiR3R [268]. W układzie Al-Si-Fe-Ni, w zależnści d knkretneg składu chemiczneg stpu, mgą mieć miejsce cztery reakcje [29]: UperytektyczneU: 1) L +AlR3RFe RAl R+ α(alr8rfer2rsi) + ρ(alr9rnife), w temperaturze z zakresu: P PC; 2) L + α(alr8rfer2rsi) RAl R+ β(alr5rfesi) + ρ(alr9rnife), P PC; 3) L + β(alr5rfesi) RAl R+ βrsir + ε(alr3rni) + ρ(alr9rnife), P PC; UeutektycznaU: 4) L RAl R+ βrsir + AlR3RFe + ρ(alr9rnife), w temperaturze z zakresu: P PC. W warunkach równwagwych w stpach Al-Si-Fe-Ni wraz z αralr- rztwrem stałym mgą wystąpić takie związki międzymetaliczne jak: AlR3RFe, ε(alr3rni), ρ(alr9rnife), α(alr8rfer2rsi), β(alr5rfesi) raz krzem (βrsir). Rzpuszczalnść niklu w fazie β(alfesi) jest nieduża, mniejsza niż 1% wag. [29]. Im wyższa jest zawartść Si w danym siluminie, tym większa jest wartść stsunku Ni : Fe w fazie ρ(alr9rnife) [498, 499]. Oznaczenia, skład chemiczny i charakterystyka sieci krystalicznej raz wybrane fizykchemiczne właściwści pdstawwych faz międzymetalicznych, które mgą występwać w siluminach tłkwych (bezniklwych raz tych z niklem), zestawine zstały w tabeli 3.1. Pmim, że siluminy tłkwe stanwią przykład jednych z najbardziej złżnych twrzyw metalwych na snwie aluminium, autrm prac [29, 32, 268, 314, 448] nie udał się dtychczas zidentyfikwać w ich mikrstrukturze bardziej skmplikwanych niż czterskładnikwe faz; w tabeli 3.1 znajdujemy też jedynie dwie takie czterskładnikwe fazy: W(AlR5RSiR6RMgR8RCuR2R) raz h(alsir6rmgr3rfe); zdecydwana większść z nich parta jest na dwu- lub trójskładnikwych związkach. Istnieją jednak pewne, chciaż nieliczne, wyjątki d pwyższej zasady. Pierwszy z nich znajdujemy w pracy R.F. Smarta [400] 44

46 z 1971 r.; przeprwadzne przez nieg badania siluminu tłkweg LM13 (zgdneg z brytyjskim standardem BS 1490), metdą mikranalizy rentgenwskiej, pzwliły zidentyfikwać w strukturze nietypwe, wielskładnikwe fazy międzymetaliczne parte na związkach chemicznych zawierających m.in. nikiel typu: AlNiSiMnFe, AlNiCuSiMnFe. Zaprezentwane w publikacji [400] mikrftgrafie pkazują, że większść prstych i złżnych faz niklwych w stpie LM13 mają najczęściej zwartą i niekiedy tylk lekk wydłużną mrflgię wydzieleń, pjawiających się na granicach ziaren αralr- rztwru stałeg. Na becnść złżnych związków niklwych w kłeutektycznych siluminach tłkwych zawierających d 1,0 d 1,6% Ni, wskazują również materiały bułgarskiej publikacji [218]; ich autrka, R. Kvacheva, wymienia następujące sześciskładnikwe fazy: AlR40RSiR4R- FeR2RMnCuNiR10R, AlR40RSiFeR2RMnR0,5RCuR0,5RNiR10R, AlR40RSiR7RFeR5RMnR5RCuR0,3RNiR0,7R raz Al40SiFe4-Mn4CuNi4. Z pwyższych rzważań wynika, że nikiel będzie raczej sprzyjał zmniejszeniu stpnia umcnienia siluminów zawierających Cu i Mg, na drdze rztwrweg i/lub wydzieleniweg mechanizmów. Większe natmiast jeg zawartści pwdwać mgą pjawienie się wzdłuż granic ziaren rztwru stałeg przestrzenneg szkieletu (zbudwaneg z międzymetalicznych faz niklwych), stanwiąceg barierę dla ruchu dyslkacji szczególnie w wyższej temperaturze; tym właśnie tłumaczyć mżna m.in. żarwytrzymały charakter stpów aluminium z niklem [80, 344, 493]. T, w jakim stpniu zaprezentwane metalznawcze infrmacje wyjaśniają działanie niklu Ni na ważniejsze fizykchemiczne i technlgiczne właściwści rzpatrywanej grupy stpów, pkazuje dalsze syntetyczne zestawienie danych literaturwych. W publikacjach [13, 55, 80, 94, 110, 120, 137, 151, 163, 194, 241, 268, 351, 360, 380, 381, 400, 467, 477, 493] stwierdza się gólnie, iż nikiel sprzyja wzrstwi wytrzymałści na rzciąganie, twardści raz żarwytrzymałści stpów aluminium w pdwyższnej temperaturze, szczególnie złżnych c d składu chemiczneg kmpzycjach. Pdkreśla się przy tym nierzadk zwiększną dprnść na degradację (termiczną stabilnść) międzymetalicznych faz niklwych takich jak: ε(alr3rni), T(AlR7RCuR4RNi), ρ(alr9rnife) czy T(AlR16RMnR3RNi) w tych warunkach (vide tabela 3.1). Szczególnie dprne na wahania temperatury są siluminy ze zwiększnymi jedncześnie zawartściami miedzi i niklu; w przypadku niewielkich ilści w nich Ni faza θ(alr2rcu) ma skłnnść, w temperaturze pwyżej 250P PC, d pwiększania swich rzmiarów; jeżeli natmiast stężenia Ni są większe pwstają stabilne termicznie fazy typu AlCuNi [np. T(AlR7RCuR4RNi)], które są większe d fazy θ(alr2rcu), jednakże w pdwyższnej temperaturze nie zmieniają trwale swich rzmiarów [445]. Charakterystyczny jest też duży spadek wielkści współczynnika rzszerzalnści cieplnej, pwdwany ddaniem d aluminium i jeg stpów niklu [94, 268, 342, 360, 477]. Szczególnie intensywne zmniejszenie rzszerzalnści bserwuje się przy zawartściach Ni pwyżej 0,75% [233]. W tym też przypuszczalnie rzumieniu, autr pracy [217] stwierdza, że wprwadzny d układu Al-Cu-Si-Mg nikiel pprawia stabilizację wymiarwą i dprnść na ścieranie. Według J.E. Hanafee [151], nikiel w zakresie zawartści d 0 d 7% kazuje pzytywny wpływ na twardść kł- i nadeutektycznych siluminów w temperaturze tczenia; przyczynę teg zjawiska tłumaczy n równmiernym rzłżeniem i rzdrbnieniem twardych związków niklwych w strukturze stpów aluminium. Z publikacji [467] wynika pnadt, że Ni pdbnie jak Si, C i Fe pprawia dprnść stpów aluminium na zużycie w warunkach tarcia. J.A. Catharall raz R.F. Smart [68] wyrażają jednak wątpliwść c d celwści wprwadzania niklu, jak ddatku stpweg, d siluminu tłkweg LM13 (wg BS 1490). Na bazie przeprwadznych dświadczeń dszli ni d wnisku, że ddziaływanie niklu przy zawartściach d 0,02 d 2,40% na parametry żarwytrzymałści nie jest isttne, a wytrzymałściwe właści- 45

47 stpu wści, w krótktrwałych próbach rzciągania, są praktycznie na tym samym pzimie; nie bserwwan również zmian w charakterystykach udarnści i wytrzymałści zmęczeniwej [68]. Wywdy te ptwierdzają wyniki badań japńskich specjalistów [442], którzy przy pracwywaniu P-szczędnściweg siluminu tłkweg (vide tabela 2.8) granicznej d 0,6% (średni) zawartści niklu stwierdzili, iż niebecnść teg pierwiastka w stpie jest praktycznie niezauważalna d temperatury 200P PC. Pdbne wniski płyną z późniejszej pracy niemieckich naukwców R.P. Wahi i M. vn. Heimendahla [468]. Przeprwadzne przez nich eksperymentalne badania wykazały, że nikiel w przeciwieństwie d miedzi wpływa tylk nieznacznie na mechaniczne właściwści (RRmR, RRp0,2R i HB) siluminu tłkweg KS 1275 (AlSi12CuMgNi) w temperaturze pkjwej. Pdbny stp, jednak bez niklu, w temperaturze 300P PC miał praktycznie te same wartści twardści raz innych mechanicznych właściwści w próbie rzciągania (RRmR, RRp0,2 Ri AR5R) c znrmalizwany stp KS 1275 z niklem. Inne dświadczalne warianty stpu KS 1275 bez miedzi ( 0,0%), z 1,0% Mg raz z niklem dpwiedni na pzimach: 0,01 i 0,95% pkazały znacznie niższe, w stsunku d stpu prównawczeg, pzimy wytrzymałściwych parametrów tak w pkjwej, jak też pdwyższnej (300P PC) temperaturze. Także z publika- cji autrów pracy [63] wynika, że: a) żarwytrzymałść; b) właściwści mechaniczne (RRmR i AR5R) w temperaturze tczenia raz 300P PC raz c) parametry rzszerzalnści cieplnej pracwaneg w b. ZSRR bezniklweg siluminu tłkweg typu AK12M3Mг (Al- Si12Cu3-Mg1) są na pzimie analgicznych parametrów dla znrmalizwanych siluminów z niklem (AЛ30 i AЛ25, wg GOST ); jedncześnie pmiary pkazały, że lejnść stpu AK12M3Mг jest lepsza w stsunku d lejnści stpów prównawczych. Według autra pracy [110] silneg pgrszenia dlewniczych właściwści siluminów, szczególnie tych związanych z prwatścią raz skłnnścią d pękania dlewów, należy czekiwać d ddatków niklu (analgicznie jak w przypadku żelaza i miedzi); nikiel pzbawia pnadt siluminwe twrzyw zdlnści d dkształceń plastycznych. W japńskim pisie patentwym [169] stwierdza się, iż szczędnściwe względem niklu (0,1 0,5%) pd- i kłeutektyczne siluminy tłkwe (6,0 13,0% Si) charakteryzują się: a) wyską dprnścią na szki cieplne, b) dbrymi parametrami udarnściwymi raz c) stabilnścią wymiarwą. Rsyjscy specjaliści [380] wykazali, że nikiel pdbnie jak żelaz bniża wytrzymałść na rzciąganie RRmR AЛ25 (AlSi12Cu2Mg1Ni1) w temperaturze pkjwej, nie kazując jedncześnie wpływu na daną wielkść w pbliżu 300P PC; zabserwwan jedynie nieznaczne ddatnie ddziaływanie Ni na granicę plastycznści w tej temperaturze. W knsekwencji przeprwadznych badań autrzy pracy [380] sugerują bniżenie zawartści niklu w stpie AЛ25 (AlSi12Cu2NiMg), przy jednczesnym pdwyższeniu stężenia miedzi i pzstawieniu bez zmian zawartści Mg raz Fe. Fazy niklwe, jak i inne międzymetaliczne związki, sprzyjają bniżeniu wytrzymałści zmęczeniwej siluminów tłkwych, w zakresie rbczej temperatury tłka [310, 314, 315]. Ptwierdzeniem teg są m.in. wyniki eksperymentalnych badań publikwane w 2006 rku przez W. Schneidera [377]; bserwwał n negatywne ddziaływanie Ni na parametry zmęczeniwe stpu AlSi7MgCuNiFe w temperaturze 150P PC. Autr niniejszeg pracwania, w trakcie realizacji prac [80, 233, 234], bserwwał ujemny wpływ Ni na stabilnść wymiarwą, względem trwałych dkształceń, eksperymentalnych siluminów stpwych, w warunkach statycznych i zmiennych bciążeń cieplnych. Niedwracalne zmiany były szczególnie intensywne w zakresie zawartści niklu d 0,7 d 1,3%, przy becnści miedzi na pzimie k. 1%. Nikiel tak jak inne pierwiastki grupy żelaza zwiększa masę właściwą (gęstść) aluminium i jeg stpów [155]. Sprzyja n jedncześnie pgrszeniu przewdnści cieplnej [377], chciaż rzmiar teg ujemneg wpływu nie pwinien być znaczący [268]. Dmieszki Ni w stpach układów Al-Cu i Al-Si sprzyjają 46

48 pjawieniu się krzji wżerwej (ang. pitting crrsin) [94]. Według japńskich specjalistów [163] wytrzymałść bezniklwych siluminów stpwych w pdwyższnej temperaturze nieznacznie spada, w prównaniu ze stpami zawierającymi nikiel; wysuwają stąd wnisek, iż eliminacja teg ddatku stpweg (Ni) z siluminów tłkwych jest niepżądana. Inneg zdania jest R.F. Smart [400]; w pdsumwaniu fragmentu pracy pświęcnemu rli niklu w siluminie tłkwym LM13 stwierdza n, że w zwykle występujących ilściach dgrywa n niewielką rlę w przyczynieniu się d umcnienia daneg stpu w pdwyższnej temperaturze; na tej pdstawie knkluduje: nikiel mże i pwinien być graniczany w siluminie LM13 z przyczyn eknmicznych. O stpniwym graniczaniu zalecanych zawartści niklu w stpie LM13 (wg BS 1490:1970 [61]) wspmnian już w punkcie niniejszeg pracwania. W pracy [438] pdan, że badania silnikwe ptwierdziły mżliwść zmniejszenia lub całkwiteg wyeliminwania niklu w siluminach tłkwych, bez pgarszania ich technlgicznych i eksplatacyjnych parametrów. Autrzy publikacji [438] wyjaśniają, że drgą d teg celu jest dbór i ptymalizacja składu chemiczneg na bazie innych tańszych i mniej deficytwych ddatków stpwych Selekcja ddatków stpwych w syntezie siluminów tłkwych Jak wynika t z pdrzdziału 3.1, istnieje niewielka liczba publikacji dtyczących ceny wpływu niklu na fizykchemiczne właściwści siluminów stpwych; jedncześnie praktycznie brak jest wzmianek na temat rli Ni w kształtwaniu technlgicznych charakterystyk, w tym dlewniczych. Zasadnicze znaczenie dla pdjęteg tematu pracwania ma wyłnienie, spśród pierwiastków układu kresweg, ptencjalnych zamienników niklu. Wstępne infrmacje na ten temat mżna uzyskać wykrzystując współczesne pdejście d prjektwania (syntezy) stpów. Rzpatrywane będą też ddatkwe, specjalne parametry związane ze szczególnymi (specjalnymi) wymaganiami wysuwanymi w dniesieniu d twrzyw tłkwych. Istta selekcji pierwiastków na pczątkwym etapie prjektwania stpów (tzw. fizykchemicznej analizy), sprwadza się d rzpatrywania pewnych wielkści kryterialnych, wynikających z wykresów równwagwych dla układów snwa składnik stpwy (rys. 3.2), a zatem analizy eknmicznej (cenwej) [142, 147, 148, 404, 405, 409]. Warunkiem przynależnści pierwiastków d pdstawwych ddatków stpwych są dpwiednie wartści dwóch kryteriów: a) granicznej (maksymalnej) rzpuszczalnści daneg pierwiastka w snwie w stanie stałym (CRr R= 1,0% at.) raz b) kryterium rzkładu (ang. partitin cefficient) = / = cd/bd 0,05, gdzie: graniczna rzpuszczalnść dmieszki w stanie ciekłym, w % at. Bezwymiarwe kryterium kreśla charaka) b) c) Rys Typwe schematy wykresów równwagi fazwej stpów i ich charakterystyczne punkty d wyznaczania wielkści kryterialnych: a) eutektyka (mntektyka); b) perytektyka dlna; c) perytektyka górna [148, 404, 405] 47

49 P P Pierwiastki, P P Wyznaczn AR5R = ter rzmieszczenia pierwiastka w strukturze stpu; im mniejsza jest jeg wartść, w tym większym stpniu kncentruje się n na granicach ziaren rztwru stałeg. Dla aluminium, jak snwy, pwyższym warunkm kryterialnym dpwiada 8 pierwiastków układu kresweg (vide tabela 3.2). Tabela 3.2. Wyniki selekcji pdstawwych ddatków stpwych w aluminium [148, 405] *) 48 *) Pierwiastek Zn AgP Mg Kryterium 67,0 23,8 18,9 16,0 8,5 2,8 2,5 1,59 Kryterium 86,6 37,5 37,9 24,0 91,0 30,3 17,3 12,1 Kryterium = ( / ) 0,77 0,63 0,50 0,67 0,09 0,09 0,14 0,13 dla których kryterium cenwe jest duże (vide tabela 3.9). Z teretycznych załżeń syntezy stpów wynika, że kryterium rzpuszczalnści ma decydujący wpływ na parametry krótktrwałej wytrzymałści w próbie rzciągania (RRmR, RRp0,2R) w pkjwej temperaturze, c symblicznie mżna wyrazić birąc pd uwagę znaczenia wykresów rysunku 3.2 następując: *) LiP *) GaP *) GeP RRm R(RRp0,2R)R R= f(cd) = f( ). (3.1) Im wyższa jest wartść (cd) daneg pierwiastka (ddatku) w snwie, tym większa z reguły, w pierwszym przybliżeniu jest wytrzymałść stpu. Kryterium rzpuszczalnści dpwiada rztwrwemu charakterwi umcnienia bazweg metalu [110, 344]. Birąc jednak pd uwagę mżliwść ddatkweg umcnienia stpu pdczas zabiegów bróbki cieplnej (kryterium = cf/hg vide rys. 3.2 raz tabela 3.3), pprzez umcnienie wydzieleniwe, funkcjnalna zależnść (3.1) przyjmie wówczas pstać: RRm R(RRp0,2R) = f(cd; cf/hg) = f(, ). (3.2) Tabela 3.3. Wartści kryterium bróbki cieplnej dla stpów aluminium w zależnści d wprwadzenia kreślneg ddatku (pierwiastka) stpweg [148, 405] * Pierwiastek Si Cu Mg Mn Ni Fe V Cr C M Zn * Kryterium 0,98 0,87 0,57 0,93P * ~1,00P * ~1,00P * ~0,98P * ~0,98P * ~1,00P Cu * ~1,00P na pdstawie wykresów równwagi fazwej dla pdwójnych układów Al-X pchdzących z prac L.F. Mndlf [268, 269]. Kryterium charakteryzuje stpień dkształcenia wykresu układu równwagweg przy chłdzeniu [148] lub inaczej stpień zakrzywienia linii rzpuszczalnści ddatku w snwie w stanie stałym. Mniejszej wartści dpwiada lepsza zdlnść d przyjmwania bróbki cieplnej, przy wprwadzeniu d stpu kreślneg ddatku stpweg, w prcesach przesycania i/lub starzenia. Plastycznść stpów (ceniana pprzez wartści wydłużenia względneg, np. AR5R) jest również funkcją dwóch wielkści kryterialnych ( i ), tj.: f(cd; cd/bd) = f( ; / ) = f( ; ). (3.3) Charakter ddziaływania i na plastyczne właściwści stpów nie jest prsty, jednakże decydujące znaczenie ma tutaj kryterium rzkładu ; najlepiej, kiedy jeg wartści są bliskie jednści [l48, 149, 405]. W syntezie stpów [147, 148, 404, 405, 409] za kryterium bróbki cieplnej, efektywnść której ceniana jest najczęściej pprzez pmiar twardści (na przykład spsbem Brinella i znaczanej jak HB), przyjmwana jest wspmniana już wcześniej wielkść = cf/hg; stąd należałby przyjąć, że HB = f(cf/hg) = f( ). Z literatury przedmitu i dświadczenia wiadm jednak, że sam przesycanie również zmienia twardść stpu, c jest prawdpdbnie następstwem różnicy w wymiarach atmwych snwy i ddatku stp- Si 0,83

50 P VP WP weg. Dlateg też w gólnym przypadku twardść prjektwaneg stpu należy również prgnzwać na pdstawie dwóch wielkści kryterialnych i (pdbnie jak w przypadku RRm Ri RRp0,2R): HB = f( ) = f(cd; cf/hg) = f(, ). (3.4) Wynikwa twardść stpu jest ddatkw funkcją fizykchemicznych właściwści faz międzymetalicznych pjawiających się pdczas bróbki cieplnej, takich m.in. jak: parametry sieci krystalicznej, mikrtwardść czy temperatura tpnienia (vide tabela 3.1). Pmcnicze (wspmagające) ddatki stpwe selekcjnwane są na pdstawie następujących wielkści kryterialnych: = 0,01 1,0 i 0,05. Warunki te dla aluminium jak snwy spełnia w sumie 27 pierwiastków (wyspecyfikwanych w klejnści wzrstu liczby atmwej) [148, 405]: Be, B, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Zr, Nb, M, Tc, Ru, Rh, Cd, In, Sb, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Au, Pb, Bi. Większść z nich t rzadkie i/lub drgie pierwiastki (vide tabela 3.9); niektóre z nich jak np.: B, Ti, V, Cr, Sr, Zr, M, W wprwadzane są jednak d stpów na snwie aluminium (w tym d siluminów tłkwych) w niewielkich ilściach jak specjalne ddatki lub mdyfikatry. D szkdliwych zanieczyszczeń w stpach aluminium, twrzących skupiska niemetalicznych wtrąceń na granicach ziaren αralr, należą pierwiastki spełniające następujące warunki: 0,05 i 0,001 [przy mniejszej rzpuszczalnści, ddatki wchdzą d klasy neutralnych (bjętnych) zanieczyszczeń]. Zalicza się d nich 13 pierwiastków, tj.: H, N, O, Fe, C, Ni, As, Se, Y, Pd, Sn, Ir i Pr, a także wszystkie lantanwce raz znane aktynwce. Obecnść tych pierwiastków na peryferiach rztwru stałeg aluminium sprzyja bniżeniu plastycznści [148,405]. Z zaprezentwaneg dtychczas pisu wynika, że nikiel (αrni R= 0,02; RNiR = 0,0075) pdbnie jak większść innych przejściwych pierwiastków nie jest tym składnikiem, któreg becnść w aluminium będzie pzytywnie wpływać na rztwrwe i/lub wydzieleniwe umcnienie. Również parametry plastycznści d ddatków Ni w tych warunkach będą raczej ulegać bniżeniu. Pewien wyjątek stanwić mgą: mangan (αrmn R= 0,89; RMn R= 0,94; RMn R= 0,93) raz chrm (αrcr R= 0,42; RCr R= 2,0; RCr R= 0,96) [148, 268, 405]. W dniesieniu d twrzyw przeznacznych na tłki silników spalinwych stawiane są przede wszystkim wyskie wymagania dtyczące zdlnści d pracy w pdwyższnej i wyskiej temperaturze. W syntezie stpów rzważane jest w tym względzie tzw. kryterium temperatury, kreślane zależnścią [147, 405]: = 0d/0a = TRp R/ TR R, (3.5) gdzie: TRpR temperatura przemiany (eutektycznej, mntektycznej czy perytektycznej) w rzpatrywanym układzie snwa (Al) ddatek stpwy; TRR temperatura tpnienia snwy stpu (T punktu a na rys. 3.2). Im bliższa jednści lub większa jest wartść kryterium dla daneg ddatku, tym bardziej będzie n cenny w stpie z punktu widzenia mżliwści pracy w wyższej temperaturze. W tabeli 3.4 zestawin wartści, dla ważniejszych wyselekcjnwanych pdstawwych raz wspmagających ddatków stpwych. Tabela Wartści kryterium temperatury dla wybranych pierwiastków [148, 405] Pierwiastek Zn Mg Cu Si Mn Fe Kryterium 0,767 0,775 0,880 0,911 0,998 0,995 Pierwiastek *) *) CrP *) CP *) NiP *) MP *) Kryterium 1,002 1,002 0,997 0,978 1,000 1,000 *) Pierwiastki, dla których kryterium cenwe jest duże (vide tabela 3.9). 49

51 P P zawartść PpP PdP P wg XP XP [P Z wartści liczbwych dla pdanych w tabeli 3.4 zauważyć mżna, że przejściwe metale 3d (V, Cr, Mn, Fe, C, Ni, Cu), 4d (M) raz 5d (W), nie zapełninych zewnętrznych s i p pwłkach elektrnwych, twrzą z aluminium pary związków wyskiej temperaturze przemian. Wyjątek stanwi cynk, zaliczany również d metali przejściwych, jednak z kmpletnie zapełninymi: trzecią (p), przedstatnią (d) raz pierwszą (s) pwłkami: sP P4sP P[221]. Względnie mała wartść dla kryterium temperatury występuje w układzie aluminium magnez. Według jednak B.B. Gulyaeva [148] magnez, pdbnie jak cynk, psiada wyską wartść współczynnika rzkładu, c nie pwduje przy ich granicznych zawartściach słabienia stpu na granicach ziaren. Pnadt, źródła literaturwe (np. [210, 493]) pdają jeszcze z drugiej strny, iż magnez sprzyja zwiększeniu żarwytrzymałści aluminium i jeg stpów c przeczy wniskm płynącym z gólnej syntezy stpów. Wyjaśnieniem tej sprzecznści mże być także fakt, że magnez jak aktywny pierwiastek chętnie twrzy związki międzymetaliczne z aluminium, miedzią, krzemem i innymi pierwiastkami (vide tabela 3.1). Szczególnie wysktemperaturwą fazą jest β(mgr2rsi), temperaturze tpnienia 1087P PC. W związku z tym, w przypadku syntezy stpów przeznacznych d pracy w pdwyższnej i/lub wyskiej temperaturze, przed statecznym drzuceniem na pdstawie kryterium temperatury (3.5) ptencjalneg ddatku stpweg), należy: a) analizwać bardziej złżne niż pdwójne wielskładnikwe układy [150, 498] raz b) rzpatrywać mżliwść pwstawania w tych układach umacniających faz, ceniając prócz ich temperatury tpnienia, również mikrtwardść) [15, 71, 258] i dpier na tej pdstawie dknywać stateczneg wybru składu chemiczneg. W tabeli 3.5 zestawine zstały przykładw dane dla niektórych ptrójnych układów Al-Si-X czy Al-X-Si (gdzie: X kreślny pierwiastek układu kresweg). Tabela 3.5. Równwagwe reakcje przemian fazwych w układach Al-Si, Al-Si-X, Al-X-Si (pracwan na pdstawie prac [29, 32, 268, 310, 315, 498]; vide Załącznik) 50 Układ Typ reakcji Al-Si eutektyczna L αr Al-Si-Cr eutektyczna L αr Al-Si-Fe eutektyczna L αr Al-Si-C eutektyczna L αr Al-Si-Mn eutektyczna L αr Al-Si-Ni eutektyczna L αr Al-Si-Mg eutektyczna L αr Al-Si-Cu eutektyczna L αr R e a k c j a Zawartść pierwiastków, [% wag.] Faza ciekła Si 1) Rztwór stały RAl 1) Si Temperatura reakcji, PC] + AlR RSi 11,70 1, RSiR R R+ αr R(AlR13RCrR4RSiR4R) 11,00 0, AlR + RSiR + (AlR5RFeSi) 11,60 0,75 1,65 0, AlR + RSiR + AlR9RCR2R 13,00 0, AlR + RSiR + α(alr15rmnr3rsir2r) 11,75 0,75 1,06 0, AlR + RSiR + (AlR3RNi) 11,50 5, AlR + RSiR + (MgR2RSi) 12,95 4,96 1,10 0, AlR + RSiR + θ(alr2rcu) 5,25 26,70 1,10 4, AlR Al-Mg-Si eutektyczna L αr + (MgR2RSi) AlR 0,37 33,20 0,10 15, Al-Zn-Si + (Al M ) eutektyczna L αr + ZnAl + Zn + RSiR AlR 380 Al-Sn-Si eutektyczna L αr 1) + Sn + AlR RSi P 2) 2) 2) P P 226,5 trzecieg składnika układu, pzstałe Al; P L.F. Mndlf [268] ptrójna eutektyka psiada taki sam skład fazy ciekłej jak i eutektyka pdwójna układu Al-Sn Z zamieszcznych w tabeli 3.5 danych wynika, że w kłeutektycznych siluminach, przy zawartściach magnezu dchdzących d k. 5%, nie pwinn być prblemów z bniżaniem wytrzymałściwych parametrów w pdwyższnej i wyskiej temperaturze. Dpier większe ilści teg pierwiastka (Mg), przy jednczesnej małej zawartści krzemu, mgą pwdwać występwanie w układzie Al-Mg-Si przemiany eutektycznej w stsunkw niskiej temperaturze (450P PC). Pdbna sytuacja mże mieć miejsce w przypadku cynku.

52 P P wielkści P dla W układzie ptrójnym Al-Zn-Si ma, c prawda, miejsce przemiana w stsunkw niskiej temperaturze (380P PC), jednakże w becnści magnezu twrzy n (Zn) dstatecznie dprne na temperaturę fazy międzymetaliczne, tj.: (MgZnR2R), Z(MgR2RZnR11R) czy T(AlR2RMgR3RZnR3R) vide tabela 3.1 raz Załącznik. Szczególnie niebezpieczne dla stpów aluminium pracujących w wyższej temperaturze są dmieszki cyny (vide tabela 3.5) [268]. Dla stpów metalicznych pracujących w pdwyższnej i wyskiej temperaturze ważnym ugólninym parametrem jest tzw. stabilnść cieplna; charakteryzwana jest na pzimem i/lub zmiennścią (najlepiej w niewielkim zakresie) fizykchemicznych właściwści p długtrwałej ekspzycji licznej w setkach czy tysiącach gdzin w danych warunkach. Znacznej pprawy stabilnści cieplnej mżna czekiwać d wprwadzenia d snwy ddatków stpwych małym współczynniku dyfuzji [263, 373, 422, 455, 463]. Wartści liczbwe współczynników dla niektórych pierwiastków (ptencjalnych ddatków stpwych i/lub zanieczyszczeń) w aluminium w stanie ciekłym raz stałym pkazuje tabela 3.6. Tabela 3.6. Współczynniki dyfuzji D niektórych pierwiastków w aluminium (pracwanie własne na pdstawie źródeł literaturwych) Pierwiastek Zn Si Mg Cu Ni Fe Mn Cr M C Ti ,3 10P-3 1,5 10P -5 7,0 10P -4 2,0 10P Źródł literaturwe 1,0 10P-4 [196] Współczynnik dyfuzji 2 D, [cmp P/s] w stanie ciekłym, w temperaturze, [P PC] w stanie stałym, w temperaturze, [P PC] ,1 10P ,1 10P -4 9,3 10P -4 1,4 10P -5 6,4 10P -4 1,1 10P -5 5,1 10P -5 3,9 10P -5 6,9 10P -5 2,1 10P -5 5,5 10P [70, 196] 2,9 10P-5 [70, 196] 750 9,0 10P-5 3,9 10P-5 [196] ,5 10P -5 8,1 10P -5 2,7 10P -5 7,2 10P -5 1,5 10P -5 1,4 10P -6 6,4 10P -5 [70, 118, 196, 0,07 10P 422, 482] ,5 10P P* 6,1 10P-6 0,5 10P-5 [211, 482] ,6 10P ,0 10P -8 1,6 10P -10 4,5 10P -8 2,1 10P -10 3,0 10P -9 4,8 10P -11 8,5 10P -9 3,8 10P-10 2,5 10P-11 **) 8,1 10P 1,3 10P-12 8,4 10P-9 P 1,0 10P-12 1,0 10P ,0 10P [263, 463] 1,0 10P-13 [210] 400 1,7 10P-10*) 6,0 10P-11*) [379] 350 3,7 10P-12 8,8 10P-14 5,4 10P-14 1,7 10P-16 1,2 10P-12 1,1 10P-13 [373] *) cenine na pdstawie interplacji i ekstraplacji; P **) Zr 2,4 10P P cmp P/s [263] Spśród typwych pierwiastków występujących w siluminach tłkwych, metale przejściwe jak wskazują na t dane tabeli 3.6 cechuje na gół mała dyfuzyjna aktywnść w aluminium. Amerykańscy specjaliści [373] stwierdzają, że prócz metali przejściwych małym współczynnikiem dyfuzji w aluminium charakteryzują się także pierwiastki ziem rzadkich, tj.: Ce, La, Nd czy Sm. Według G.B. Strganva [422], im wyższa jest siła międzyatmwych związków daneg pierwiastka (ddatku stpweg) w rztwrze stałym aluminium, tym mniejsza jest prędkść jeg dyfuzji; pjawienie się natmiast dyfuzyjnych strumieni atmów jest przyczyną szybkiej zmiany stanu struktury stpu, a zatem jeg degradacji. W pracy [154] pkazan, że przejściwe metale tj.: Fe, Mn, Cr i Zr isttnie zmniejszają prędkść dyfuzji miedzi w aluminium w temperaturze 350P PC, w tym samym czasie jak inne metale Zn, Mg, Ag i Cd, a także Si na dwrót przyspieszają ją. Zjawisk t tłumaczy się większą energią płączenia wakans atm pierwiastka przejściweg, w prównaniu d energii układu wakans atm miedzi. Również autrzy pracy [342] pdkreślają, iż mangan wpływa w dużym stpniu na dyfuzyjne prcesy rzpadu αralr- rztwru stałeg; psiadając niski współczynnik D w aluminium (tabela 3.6), zmniejsza n prawie 100 razy dyfuzję miedzi; sprzyja więc późnianiu rzpadu αralr- rztwru stałeg 51

53 P w temperaturze z zakresu P PC [342]. L.F. Mndlf dntwuje [268], że dyfuzja manganu w ciekłym aluminium jest mniejsza d większści ddatków stpwych, zarówn w temperaturze 727P PC, jak też w 1027P PC. Niemałym współczynnikiem dyfuzji w alu- minium charakteryzuje się krzem, c wyjaśnia bserwwane efekty kalescencji i kagulacji wydzieleń krzemwych w siluminach w prcesach wysktemperaturweg wygrzewania (vide rys. 5.10) [ , 315]. Zachwanie wyskiej wytrzymałści stpów w pdwyższnej i wyskiej temperaturze, w dłuższym hryzncie czaswym, t efekt nie tylk spwlnienia prcesów dyfuzyjnych, pprzez dpwiedni dbór ddatków stpwych, ale także pracwania ptymalnej ich kmpzycji, która zabezpiecza największą stabilnść stanu fazweg [455]. Idee gólnej syntezy mgą i pwinny być rzszerzane w przypadku prjektwania stpów, w stsunku d których wysuwane są również pewne specjalne (specyficzne) wymagania. W pracy [233] przeprwadzan selekcję pierwiastków dla stpów aluminium z uwagi na szerk rzumianą stabilnść wymiarwą tj. względem dwracalnych i niedwracalnych dkształceń. Uwzględnian przy tym wielkść prmienia atmweg ddatku rrdr (który nie pwinien różnić się więcej niż 15% wg zasady Hume-Rthery eg [164] d analgiczneg prmienia dla aluminium: rralr = 1,43 Ǻ) raz jeg rzszerzalnść cieplną, d Al tak ażeby: P P P. Jej wynikiem był następujący szereg pierwiastków (p eliminacji rzadkich i bardz drgich): Si, V, Cr, Mn, Fe, C, Ni, Cu, M i W. Wyniki eksperymentalnych badań pkazały [233], że ile rzszerzalnść cieplna zmienia się praktycznie liniw wraz z ilścią wprwadzneg ddatku, t charakter trwałych dkształceń jest bardziej złżny. Odntwan pnadt niekrzystny wpływ żelaza i niklu na wielkści trwałych dkształceń badanych siluminów w warunkach bciążeń cieplnych. Na pdanych przykładach żardprnści (żarwytrzymałści) raz stabilnści wymiarwej pkazan, iż niemżliwe jest przewidywanie stanu stpu tylk z pzycji atmwych. Ptwierdzają t również amerykańscy uczeni [419], którzy krytycznie ceniają nadzieje japńskich badaczy (z Tyta Central Research and Develpment Labratries, Inc. Nagakute Aichi) dnśnie mżliwści kmputerweg prjektwania stpu z góry załżnych wymaganiach na pdstawie wejściwych danych związanych jedynie ze składem chemicznym. M.F. Ashby raz D.R.H. Jnes [15] pdkreślają pnadt, że na zachwanie się twrzyw metalwych w warunkach eksplatacji, pza elementami składu chemiczneg, wpływ ma także stan fazwy stpu tak w ilściwym, jak i jakściwym wymiarze. Wszystk t znacza, że niezależnie d pewnych gólnych prawidłwści sfrmułwanych w syntezie stpów, pdstawą pszukiwania nwych rzwiązań materiałwych był i pzstaje dświadczenie raz intuicja prjektanta [102, 148]. Ważną charakterystyką twrzyw tłkwych jest ich dprnść na krzję, jednakże w specjalistycznej literaturze brak jest wyników teg typu badań. W dniesieniu d aluminiwych stpów tłkwych zakłada się milcząc, że ich snwa (Al) jest dstatecznie dprnym na krzję twrzywem. Tymczasem tak czyste aluminium, jak i wielfazwe stpy na jeg snwie pdlegają elektrchemicznej krzji, szczególnie w śrdkach charakterze zasadwym. Odprnść na elektrchemiczną krzję struktur jednfazwych, typu rztwru stałeg, jest zdecydwanie większa d struktur dwu- i wielfazwych. Sąsiedztw różnych faz stanwi ptencjalne gniw, będące pwdem niższej dprnści krzyjnej [37 40]. Z przedstawinej gólnej syntezy stpów wynika, iż twrzenie się jednrdneg rztwru stałeg zależne jest z jednej strny d kryterium maksymalnej rzpuszczalnści, z drugiej d kryterium rzkładu. Idealnie równmierne rzłżenie pierwiastków (ddatków stpwych) w snwie mże mieć miejsce przy dużych wart- 52

54 i P]P ściach raz wielkściach współczynnika rzkładu bliskich jednści. W rzeczywistści rzadk tak jest, dlateg też w celu zminimalizwania elektrchemicznej krzji pmiędzy rztwrem stałym (snwą ), a grmadzącymi się na granicach ziaren dmieszkami (d) innych pierwiastków (dla których 1), przyjmuje się następujące kryterium selekcji [37 40, 81]: Δφ = φrd R φrr ΔφRgran R, (3.6) gdzie: φrr φrdr dpwiedni ptencjał elektrdwy snwy i ddatku stpweg, a ΔφRgranR graniczna dpuszczalna różnica ptencjałów, umwnie przyjęta jak: 1,5 V. Graficzną interpretację dsiewu pierwiastków układu kresweg, dla stpów aluminium, na pdstawie zależnści kryterialnej (3.6), przedstawin na rysunku 3.3. Rys Szereg napięciwy pierwiastków, jak baza selekcji ddatków stpwych i zanieczyszczeń w stpach aluminium, z punktu widzenia dprnści na elektrchemiczną krzję (pracwanie własne na pdstawie danych pchdzących z prac [25, 37 40, 101, 217, 229, 266, 299, 505, 509]) Mżna zauważyć, że pierwiastki takie m.in. jak: Mg, Be, Mn, Zn stanwiące pdstawwe ddatki stpwe stswane w znanych stpach aluminium dprnych na krzję grupują się w zakresie niedużych różnic ich ptencjału elektrdweg, w dniesieniu d analgiczneg ptencjału dla Al. Znacznie pgarszają krzyjne właściwści aluminium dmieszki miedzi, c jest gólnie znane ze specjalistycznej literatury. Na granicy dpuszczalneg zakresu Δφ znajdują się takie pierwiastki, jak: Fe, C, Ni czy M; niec lepiej pd tym względem wypada chrm (rys.3.3). W tabeli 3.7 pdan wartści ptencjału elektrdweg, w kreślnych warunkach, dla praktycznie czysteg aluminum (rztwru stałeg niewielkiej ilści dmieszek) raz niektórych innych, bardziej złżnych, elementów struktury (rztwrów stałych i związków międzymetalicznych) stpów aluminium. Tabela 3.7. Ptencjał elektrdwy rztwru stałeg aluminium raz innych mikrelementów struktury względem 0,1 M kalmelwej (kalmel: chlrek rtęci (I) HgR2RClR2R [229, 399]) elektrdy -1-1 w wdnym rztwrze 53 [g lp PNaCl i 3 [g lp P] HR2ROR2R, w temperaturze 25P PC (na pdstawie [261], za [326]) Rztwór stały raz inne elementy mikrstruktury AlR8RMgR5 Al-Zn-Mg S.S. (4% MgZnR2 R) MgZnR2 AlR2RCuMg Al 5% Mg S.S. AlR6RMn Aluminium (99,95% ) αral Al-Mg-Si S.S. (1% MgR2 RSi) Al 1% Cu S.S.S. Al 2 % Cu S.S.S. Al 4% Cu S.S.S. AlR3RFe AlR2RCu AlR3RNi Si ( RSiR) Ptencjał, [V] 1,24 1,07 1,05 1,00 0,88 0,85 0,85 0,83 0,81 0,75 0,69 0,56 0,53 0,52 0,26 Uwaga! S.S. rztwór stały (ang. Slid Slutin); S.S.S. przesycny rztwór stały (ang. Supersaturated Slid Slutin); % prcenty wagwe. Z danych liczbwych tabeli 3.7 wynika, że faza AlR6RMn ma ten sam ptencjał elektrdwy c czyste aluminium; związek ten psiada zdlnść d rzpuszczania w sbie żelaza, redukując w ten spsób niepżądane jeg (Fe) krzyjne działanie w stpach aluminium 53

55 [326]. Natmiast ptencjał elektrdwy fazy niklwej ε(alr3rni) znacząc różni się d ptencjału elektrdweg aluminium, dlateg też ddatki niklu mgą pwdwać pdbnie jak żelaz prblemy natury krzyjnej. Obecnść miedzi, wydzielającej się z rztwru stałeg (αralr) w pstaci fazy θ(alr2rcu), również będzie sprzyjać bniżaniu krzyjnej dprnści stpów; natmiast działanie magnezu pwinn być w zasadzie bjętne. Z pwdu braku danych literaturwych wpływie niklu i innych ważnych dla siluminów tłkwych pierwiastków na dlewnicze charakterystyki, przeprwadzn przybliżne ich ceny wynikające z metdlgii syntezy stpów. Wpływ ddatków stpwych X (gdzie: X = Si, Cu, Mg,...) na lejnść kreśla się za pmcą kryterium, charakteryzująceg intensywnść bniżenia temperatury likwidus w układzie Al-X, w pstaci wyrażenia (vide rys. 3.2) [147, 409]: 54 = ad/bd = TR R TRpR /. (3.7) Im większa jest wartść, tym lepsza pwinna być lejnść stpu. Czynine jest tutaj pewne załżenie, mające dniesienie również d pzstałych dlewniczych właściwści, iż tendencja ta zachwa swją mc również w stpach ptrójneg układu (np. Al-Si-X) raz bardziej złżnych. Kryterium prwatści skurczwej (3.8) przedstawia stsunek różnicy temperatury tpnienia snwy stpu i temperatury przemiany dla granicznej rzpuszczalnści ddatku w stanie stałym (w % at.): = ad/cd = TRR TRpR /. (3.8) Większej wartści dpwiada pdwyższna skłnnść d twrzenia prwatści skurczwej pdczas krystalizacji stpu. Jednym z czynników kreślających tendencję stpu d twrzenia się pęknięć na grąc jest stpień jeg nadmierneg mięknienia lub nawet nadtapiania przez dmieszkę, w bszarach płżnych wzdłuż granic ziaren, w prcesie krzepnięcia i/lub bezpśredni p jeg zakńczeniu. W syntezie stpów przyjmuje się, że im wyższa jest temperatura tpnienia dmieszki w stsunku d aluminium, tym mniejszy jest stpień teg negatywneg zjawiska. T z klei zależy ddatkw d intensywnści nagrmadzenia się daneg ddatku stpweg lub zanieczyszczenia na granicy ziaren. Dlateg też skłnnść stpu d pęknięć na grąc cenia się na pdstawie dwóch pznanych już wcześniej wielkści: a) kryterium rzkładu raz b) kryterium temperatury [148]. Skłnnść d pęknięć na grąc w pdwójnym układzie Al-X będzie tym mniejsza, im większe będą wartści liczbwe kryteriów i. Tabela 3.8 zawiera zbircze zestawienie wartści kryteriów, dla ważniejszych ddatków stpwych i/lub zanieczyszczeń występujących w siluminach tłkwych, pzwalających cenić ich wpływ na pdstawwe dlewnicze właściwści. Tabela 3.8. Kryteria dlewniczych właściwści dla stpów układu Al-X [148, 405] Odlewnicze właściwści Pdstawwe ddatki stpwe i/lub zanieczyszczenia Si Cu Mg Mn Fe Ni C Cr Zn Sn Lejnść: kryterium 7,3 6,0 5,3 1,7 5,6 7,4 6,7 10,0 2,6 4,4 Prwatść skurczwa: kryterium 49,0 40,8 10,6 1, (!) 300 5,0 3, Skłnnść d pęknięć na grąc: kryterium 0,13 0,14 0,50 0,94 0,028 0,0075 0,022 2,00 0,77-4 1,5 10P kryterium 0,911 0,880 0,775 0,998 0,995 0,978 0,997 1,002 0,767 0,54

56 P P rientacyjne P umwnie Wartści kryterium lejnści są w zasadzie wystarczając duże dla wszystkich rzpatrywanych pierwiastków [148]. Zgdnie z kryterium, nikiel przy jeg większej zawartści w aluminium (czy też w siluminie tłkwym) mże sprzyjać pwstawaniu prwatści charakterze skurczwym raz pękaniu dlewów (c dntwan też w pracy [110]). Nie dtyczy t natmiast manganu; na przykład V.M. Khkhlev [203] stwierdza, że mangan krzystnie wpływa na zmniejszenie prwatści w dlewach ze stpów aluminiwkrzemwych. Zdecydwanie negatywnie ddziaływanie, w dniesieniu d prwatści skurczwej raz pwstawania pęknięć na grąc, będzie miała cyna (vide tabela 3.8). B.B. Gulyaev w swich kncepcjach dtyczących syntezy stpów zaprpnwał [148] dść skmplikwane kryterium eknmiczneg uzasadnienia zastswania teg lub inneg ddatku stpweg. Tymczasem w Plsce, już pd kniec lat 60. ubiegłeg wieku, T. Mskalewski zaprpnwał [270, 271] prsty spsób ceny racjnalnści wprwadzania d stpów metali rzadkich i/lub drgich pierwiastkówi. Oparty jest n załżeniu, iż dany ddatek stpwy uważa się za mniej krzystny d zastswania (tzn. jest bardziej deficytwy), im wyższa jest jeg cena. W tabeli 3.9 pdan ceny raz wskaźniki deficytwści dla kreślnych wcześniej, na drdze fizykchemicznej analizy, pdstawwych i wspmagających ddatków stpwych raz typwych zanieczyszczeń, mgących mieć zastswanie d prdukcji siluminów stpwych z przeznaczeniem m.in. na tłki silników spalinwych. Tabela 3.9. Rzpwszechnienie raz umwne wskaźniki deficytwści niektórych pierwiastków mgących występwać w siluminach tłkwych (pracwanie własne, na pdstawie następujących materiałów źródłwych [102, 105, 266, 372, 510, 523]) 1) Symbl pierwiastka Umwny wskaźnik Rzpwszechnienie 2) 1) 3 CenaP P1kg, Gęstść, Cena 1dmP P, deficytwścip w skrupie w wdzie 3 [USD] [g/cmp P] [USD] ziemskiej, mrskiej, w ksmsie, [% wag.] [ g/l] [ g/l] wagwy bjętściwy Al 8,00 0,01 5,00 3,15 2,70 8,51 1,00 1,00 Si 28,00 3,0 6,10 1,00 2,35 2,35 0,32 0,28 Cu 0,01 0,003 2,25 8,15 8,93 72,78 2,59 8,55 Mg 2, ,0 6,00 5,10 1,74 8,87 1,62 1,04 Mn 0,090 0,002 3,70 2,50 7,47 18,68 0,79 2,19 Ni 0,008 0,002 4,50 21,00 8,91 187,11 6,67 21,98 Cr 0,035 0, ,90 15,00 7,17 107,55 4,76 12,63 C 0,003 0,005 3,25 55,00 8,90 489,50 17,46 57,49 V 0,014 0,002 2,30 25,00 6,11 152,75 7,94 17,94 M 0,0003 0,01 0,45 65,00 10,25 666,25 20,63 78,25 W 0,0001 0,0001 0,30 35,00 19,27 674,45 11,11 79,22 Fe 5,6 0,001 5,80 0,50 7,87 3,94 0,16 0,46 Zn 0,02 0,01 2,70 1,90 7,14 13,57 0,57 1,52 ceny na rynkach światwych z płwy rku 2008 r. nap Ppdstawie danych agencji Reuter, Giełdy Lndyńskiej [523] raz infrmacji pchdzących ze źródeł internetwych; P przyjęt wartści wagwej i bjętściwej deficytwści aluminium równe 2) 1 Dane liczbwe tabeli 3.9 ptwierdzają dść znany fakt, iż rzpwszechnienie pierwiastka nie przekłada się bezpśredni na jeg cenę, która jest także pchdną wielkści i ksztów jeg wydbycia raz przetwórstwa. Największym stpniem deficytwści charakteryzują się takie metale, jak: mlibden, wlfram, kbalt, wanad, chrm raz nikiel. Z przejściwych metali jedynie mangan ma wskaźniki deficytwści na pzimie aluminium czy miedzi, dlateg też mże być brany pd uwagę w dalszych badaniach. Przeprwadzne rzważania ptwierdzają, że nikiel jest pżądanym ddatkiem stpwym w stpach aluminium z punktu widzenia ich wysktemperaturwych zastswań. Jedncześnie jeg becnść będzie kazywać ujemny, bądź neutralny wpływ na mecha- 55

57 (vide niczne właściwści stpów aluminium w temperaturze pkjwej raz sprzyjać ich krzji. Niekrzystne też mże być jeg ddziaływanie na prwatść dlewów typu skurczweg. W stsunku d innych pierwiastków (Si, Cu, Mg, Mn, Fe czy Zn) należy n d grupy deficytwych metali. Przeprwadzna selekcja pkazała jedncześnie, że ilść pierwiastków mgących stanwić ptencjalny zamiennik niklu jest graniczna. Brany mże być tutaj pd uwagę w zasadzie tylk jeden d-przejściwy pierwiastek: mangan. Chrm, chciaż spełnia większść rzpatrywanych wyżej kryterialnych wymgów, jest metalem drgim (vide tabela 3.9). W pdrzdziale 3.3 przeprwadzna zstała, na bazie dstępnych materiałów źródłwych, analiza wpływu manganu na kształtwanie struktury raz fizykchemicznych właściwści aluminium i jeg stpów, w tym szczególnie siluminów Ocena rli manganu jak ptencjalneg zamiennika niklu Z pprzednich fragmentów pracwania wynika, że zadaniem które należy rzwiązać jest pracwanie ptymalnej kmpzycji stpu układu Al-Si-Cu-Mg z ddatkami manganu i/lub żelaza raz cynku tak, ażeby zbliżyć się z kmpleksem pdstawwych fizykchemicznych i eksplatacyjnych właściwści d znrmalizwanych siluminów z niklem. Ilść publikacji na temat rli Mn w siluminach jest stsunkw niewielka; pewne infrmacje natury metalznawczej mżna znaleźć głównie w pracach [29, 32, 217, 268, 310, 314, 315, 448]. W pdwójnym układzie Al-Mn, w temperaturze z zakresu P PC, ma miejsce perytektyczna reakcja (vide tabela 3.10, a także Załącznik), w wyniku której twrzy się międzymetaliczna faza AlR6RMn fizykchemiczne właściwści której pdan w tabeli 3.1. W becnści żelaza pwstaje, zgdnie z perytektyczna reakcją, praktycznie nierzpuszczalny w aluminium związek AlR6R(MnFe) [448]. W temperaturze 658P PC ma z klei miejsce w stpie Al-Mn przemiana, wynikiem której jest pdwójna eutektyka (zawierająca 1,95% Mn), pwstała na bazie związku AlR6RMn i aluminium [315, 448]. W czasie wlneg chłdzenia psiada na zwyrdniałą (zdegenerwaną) strukturę; związek AlR6RMn, jak faza widącą w eutektyce, ma pstać: płytek, igieł lub szkieletów [268]. Rzpuszczalnść manganu w aluminium w stanie stałym, w warunkach termdynamicznej równwagi, zmniejsza się d 1,80% w temperaturze eutektycznej przemiany ( ,5P PC), pprzez 0,42% w 657P PC, d 0,2% w 427P PC [268]; w temperaturze tczenia (k. 20P PC) wynsi przypuszczalnie k. 0,05% [448]. Pdczas bardz szybkieg przesycania ze stanu ciekłeg rzpuszczalnść ta mże wzrsnąć nawet d 15% [268], a według innych autrów niekiedy i więcej, na c wskazują dane tabeli 5.1. W układzie Al-Si-Mn, który d narża aluminium pkazan na rysunku 3.4a, występują trzy przemiany perytektyczne (PRtRR1R,R RPRtRR2R,R RPRtRR3R) raz jedna eutektyczna ERTR tabela 3.10) [310, 314, 315, 381, 498]. Rztwór stały aluminium (αralr) mże być w równwadze z AlR6RMn, RSiR raz fazą α(alr15rmnr3rsir2r). Warunkach nierównwagwych twrzyć się jednakże mgą również związki: AlR4RMn czy (AlR10RMnR3RSi) [498]. W samym narżu aluminium istnieje niewielki bszar występwania αralr- rztwru stałeg (rys. 3.4a i b); z klei w pbliżu bków aluminium-mangan i aluminium-krzem występują brzegwe pla dwufazwe: αralr + AlR6RMn i αralr + RSi R(rys. 3.4b) [381]. Z uwagi na t, że w dlewniczych siluminach zawartści manganu zwykle nie przekraczają pzimu 0,8%, nie twrzy n w ich mikrstrukturze ddzielnej fazy; wchdzi natmiast w skład złżnych związków międzymetalicznych zawierających: Si, Fe, Ni, Mg czy Cu [314]. W stpach Al-Si-Mn rzpuszczalnść manganu i krzemu w aluminium w stanie stałym ulega nieznacznemu zmniejszeniu [268]. Z rysunku 3.4a wynika pnadt, że wzrst zawartści krzemu w bszarach pdeu- 56

58 P P X, Al Al AlR Al Al Al Al Al P + tektycznych sprzyja bniżeniu temperatury pierwtnej krystalizacji stpów Al-Si-Mn, natmiast działanie manganu jest dwrtne. a) b) Rys Wykresy równwagi fazwej stpów układu Al-Si-Mn: a) rzuty przemian w temperaturze likwidus; b) rzkład bszarów fazwych w stanie stałym (w temperaturze 477 i 527P PC) [268, 498] W becnści krzemu, miedzi, magnezu i żelaza, w stpach aluminium zawierających równcześnie mangan, mgą mieć miejsce perytektyczne i eutektyczne reakcje zestawine w tabeli Tabela Prawdpdbne reakcje w równwagwych układach Al-Mn, Al-Mn-Si, Al-Mn-Si-X, 1) Al-Mn-Si-X-Y, Al-Si-Mn, Al-Si-Mn-X, Al-Si-Mn-X-YP Pi in. z udziałem ciekłeg metalu (L), αralrrztwru stałeg raz faz międzymetalicznych (pracwanie własne, na pdstawie danych pchdzących z prac [22, 29, 32, 268, 310, 314, 315, 448]; vide Załącznik) Układ Typ reakcji R e a k c j a P 2) Temperatura, [P PC] P P P Al-Mn perytektyczna L + AlR3RMn AlR4RMn 822 Al-Mn-Fe-Si perytektyczna 3) 4) L + AlR4RMn + AlR3RFe AlR6R(MnFe)P β(almnsi)p 729 Al-Mn perytektyczna L + AlR4RMn AlR6RMn Al-Mn-Fe-Si perytektyczna L + AlR4RMn + AlR3RFe AlR6R(MnFe) + α(alfesi) 695 Al-Mn-Si perytektyczna L + AlR4RMn AlR6RMn + β(almnsi) 690 Al-Mn eutektyczna L αr R+ AlR6RMn ,5 Al-Mn-Si perytektyczna 5) L + β(almnsi) AlR6RMn + α(almnsi)p Al-Mn-Si perytektyczna L + AlR6RMn αral R+ α(almnsi) Al-Mn-Fe-Si perytektyczna 6) L + AlR6R(MnFe) + AlR3RFe αral R+ AlR15R(MnFe)R3RSiR2RP 648 Al-Fe-Mn-Si perytektyczna L + AlR3RFe αral R+ α(alfesi) + AlR15R(FeMn)R3RSiR2R Al-Fe-Mn-Si perytektyczna L + α(alfesi) αral R+ (AlFeSi) Al-Mn-Cu-Si perytektyczna L + AlR6RMn αr R+ T(AlR20RMnR3RCuR2R) + α(almnsi) 597 Al-Si-Mn-Fe perytektyczna L + β-alfesi αral R+ RSiR + AlR15R(MnFe)R3RSiR2 575 Al-Si-Mn eutektyczna L αr R+ βrsir + α(almnsi) ,5 Al-Si-Mn-Cu eutektyczna 7) L αr Al R+ RSiR + α(almnsi) + T(AlR20RMnR3RCuR2R)P 573 Al-Si-Mn-Cu-Fe eutektyczna L αr + RSiR + AlR15R(MnFe)R3RSiR2R + T(AlR20RMnR3RCuR2R) 573 Al-Si-Mn-Mg eutektyczna L αr R+ βrsir + α(almnsi) + β(mgr2rsi) 557 Al-Si-Mg-Mn-Fe eutektyczna L αralr + RSiR + (MgR2RSi) + AlR15R(MnFe)R3RSiR2 555 Al-Cu-Mn-Si perytektyczna L + T(AlR20RMnR3RCuR2R) αr R+ θ(alr2rcu) Al-Cu-Si-Mn eutektyczna L αr R+ βrsir + θ(alr2rcu) + α(almnsi) 517 Al-Mg-Mn-Si eutektyczna L αr R+ (AlR8RMgR5R) + AlR10R(MgMn)R3R + (MgR2RSi) 435 1) 2) Y, pierwiastki układu kresweg, różne d: Al, Si i Mn; P Pzachdzenie pszczególnych reakcji zależy d pzimów zawartści w stpie pszczególnych pierwiastków; P Pzwiązek AlR6 R(MnFe) izmrficzny jest fazie AlR6 RMn; 4) 3) P Pβ(AMnSi) = β-amnsi = AlR10 RMnR3RSi; 5) P Pα(AlMnSi) = α-almnsi = AlR15 RMnR3RSiR2R; 6) 7) P Pizmrficzna fazie α(almnsi); P Pzapis chemiczny związku międzymetaliczneg T(AlR20RMnR3RCuR2 Rwg L.F. Mndlf [268], inni (np. [29, R)R 32]) pdają g jak: AlR12 RCuMnR2 Dane te raz źródła literaturwe [29, 32, 268, 498] wskazują, że w mikrstrukturze złżnych bezniklwych siluminów układu Al-Si-Cu-Mg-Mn-(Fe) wystąpić mgą następujące fazy z udziałem manganu: a) AlR6 RMn lub AlR6 R(MnFe) bez lub z dmieszkami miedzi; b) AlR3RFe lub AlR3R(FeMn); c) α(alr15rmnr3rsir2r) lub α[alr15r(femn)r3rsir2r]; d) (AlR10RMnR3RSi); 57

59 P P w P stpień [P P równym e) AlR18RMnR2RMgR3R lub AlR10R(MgMn)R3R raz f) T(AlR20RMnR3RCuR2R) (vide też tabela 3.1 raz Załącznik). W fazie AlR3RFe d 1/10 atmów żelaza mże być zamieniana przez atmy manganu [32]. Z klei znaczna część manganu w fazie α(alr15rmnr3rsir2r) mże być zamienina przez żelaz, d zawartści (w %): 31,0 Fe; 1,5 Mn i 8,0 Si [268]. Z danych literaturwych raz dświadczenia wynika, iż pjawienie się tych lub innych składników fazwych w mikrstrukturze, w stanie stałym, jest funkcją nie tylk kreślneg składu chemiczneg, ale także warunków krzepnięcia stpu. N.A. Belv i in. [29] rzpatrując bgate w krzem układy Al-Si-Cu-Mn-Fe i Al-Si-Mg- Mn-Fe knstatują, że w równwadze z αralr i βrsir w mikrstrukturze stpów, prócz faz manganwych: α(alr15rmnr3rsir2r) czy α[alr15r(femn)r3rsir2r], występują takie związki międzymetaliczne jak: θ(alr2rcu), (MgR2RSi), AlR3RFe, (AlR5RFeSi) raz h(alr8rsir6rmgr3rfe). Autrzy pracy [32] dntwują z klei, że w układzie Al-Si-Cu-Mg-Mn-Fe nie znalezin faz, zawierających więcej niż cztery składniki; w teg typu stpach becne są elementy struktury dpwiadające trój- i czterskładnikwym związkm. Tymczasem R. Kvaczeva [218] w przeprwadznych metalgraficznych badaniach siluminów tłkwych, zidentyfikwała stsunkw złżne (wielskładnikwe) fazy z udziałem manganu; przykładem mgą służyć: a) pięciskładnikwa faza typu AlR40RSiR7RFeR6RMnR4RCu czy też b) sześciskładnikwe fazy zawierające jedncześnie Mn i Ni, wymienine wcześniej w pdrzdziale 3.1. W tabeli 3.11 pkazan zmiany mikrtwardści niektórych ważniejszych faz międzymetalicznych, występujących w siluminach stpwych, pwstałe w wyniku 1-gdzinneg bciążenia w temperaturze 300P PC. Tabela Charakterystyki stabilnści cieplnej dla ważniejszych międzymetalicznych faz występujących w siluminach tłkwych (pracwanie własne na pdstawie danych pchdzących z pracy [493] raz tabeli 3.1) 58 Faza międzymetaliczna Mikrtwardść HV, [MPa] w temperaturze, [P PC] Wzór chemiczny Oznaczenie fazy P 1) Temperatura tpnienia, PC] Stpień bniżenia umacniających 2) właściwści fazyp P, [%] AlR8RMgR5R β / MgZnR2 η lub M / AlR2RMgR3RZnR3 T / AlR6RCuMgR4 T / AlR2RCu θ / MgR2RSi β / AlR7RCuR2RFe β lub N / AlR3RFe / AlR2RCuMg S / AlR9RNiFe ρ, α lub T / AlR10RMnR3RSi (AlMnSi) / AlR5RSiR6RMgR8RCuR2 W lub Q / AlR3RNi / AlR6RMn / AlR7RCr / AlR5RFeSi (AlFeSi) / AlR20RMnR3RCuR2 T / Umwna grupa I grupa II grupa III grupa 1) liczniku pdan wartści krótktrwałej (30 s) twardści w temperaturze 300P PC, natmiast w mianwniku długtrwałą (1 h) twardść w tej samej temperaturze; P bniżenia umacniających właściwści jest względną różnicą bydwu tych wielkści wyrażną w 2) prcentach Teg typu dane mgą w pierwszym przybliżeniu prgnzwać stabilnść mechanicznych właściwści stpów aluminium, kreślnym składzie fazwym, pracujących w warunkach bciążeń cieplnych. Statystyczna bróbka danych liczbwych tabeli 3.11, wskazuje 2 na istnienie kreślneg związku ( współczynniku krelacji RP 0,60), pmiędzy

60 długtrwałą (1 h) mikrtwardścią HV na grąc (w temperaturze 300P PC) a stpniem stabilnści cieplnej faz. Z pdanych w tabeli 3.11 wielkści wynika jedncześnie, że fazy międzymetaliczne zawierające mangan charakteryzują się nie tylk dpwiedni wyskim pzimem mikrtwardści, ale także nie ustępują fazm niklwym pd względem stabilnści cieplnej. Według autrów pracy [493], mangan w znacznie większym stpniu niż nikiel, żelaza, miedź czy magnez zwiększa żarwytrzymałść pdwójnych stpów aluminium; przy tym wpływ Si i Zn jest nieznaczny (rys. 3.5). Zwiększna wytrzymałść aluminium, w pdwyższnej temperaturze, d ddatków manganu tłumaczna jest jeg segregacją w kierunku granic ziaren αralr- rztwru stałeg [203, 268]. Ddatni wpływ manganu na czaswą granicę wytrzymałści na pełzanie RRz/100/300 R(w temperaturze 300P PC) kł- i nadeutektycznych siluminów stpwych dntwan m.in. w pracy [107]; maksymalna żarwytrzymałść siluminów siągana była przy znacznie mniejszych zawartściach manganu (0,5 0,9%), w prównaniu z adekwatnymi im w działaniu zawartściami niklu (1,8 2,2%). Ugólninym parametrem dprnści cieplnej stpów mże być też ich temperatura tpnienia. Prównanie temperatury równwagwych eutektycznych reakcji w następujących ptrójnych układach: Al-Si-Cr (577P PC), Al-Si-Fe (576P PC), Al-Si-C (575P PC) Al-Si- Mn (574P PC) pkazuje, że są ne mniej więcej na tym samym pzimie. Niższe wartści temperatury pdbnych przemian mają siluminy: a) Al-Si-Ni (567P PC); b) Al-Si-Mg (555P PC) raz c) Al-Si-Cu (525P PC) [29, 32, 268, 310, 314, 315]. Analiza układów pczwórnych typu Al-Si-X-Mn, gdzie X: Cr, Fe, C, Ni, Cu i Mg ptwierdza, że ddatek manganu w zasadzie nie bniża ich temperatury slidus, a niekiedy nawet ją pdwyższa [29, 32, 268] (vide Załącznik). Rys Wpływ ddatków stpwych na długtrwałą (1 h) twardść na grąc (vide pdpunkt raz punkt 8.1.1) aluminium w temperaturze 300P PC (pracwanie własne, na pdstawie danych pchdzących z pracy [493]) Mangan sprzyja rztwrwemu, dyspersyjnemu, a także w minimalnym stpniu wydzieleniwemu umcnieniu aluminium raz jeg stpów w pkjwej temperaturze [94, 148, 155, 516]. Rztwrwy mechanizm umcnienia aluminiwej snwy d ddatków manganu pwdwany jest tzw. efektem wymiarwym, stanwiącym względną (wyrażną w prcentach) różnicę bjętści atmwej ddatku stpweg (ΩRdR) i analgicznej bjętści aluminium (ΩRAlR) (rys. 3.6a) [22, 195, 303]. W miarę zwiększania zawartści manganu w aluminium rśnie wytrzymałść (rys. 3.6b), mduł sprężystści (rys. 3.6c) 59

61 raz twardść, a plastycznść ulega bniżeniu [203, 233, 268]. Niec inaczej wygląda sytuacja w siluminach układu Al-Si-Mn-Fe, kiedy t becnść manganu sprzyja pprawie plastycznych właściwści [440]. Mangan należy d jednym z najczęściej wprwadzanych metali przejściwym d stpów aluminium, w celu kmpensacji szkdliweg działania w nich niektórych międzymetalicznych faz żelaza [4, 7, 29, 55, 94, 155, 203, 268, 310, 315, 440]. Jak pdaje S. Pietrwski [310, 315], niewielkie ilści manganu mgą pprawiać również wytrzymałść zmęczeniwą siluminów. Metale przejściwe, granicznej rzpuszczalnści w aluminium w stanie stałym takie jak Mn, Cr czy Zr wprwadzane są d stpów aluminium, pnieważ wydzielają się m.in. w pstaci drbndyspersyjnych cząsteczek rzmiarach mniejszych niż 1 μm. Te stabilne małe cząsteczki wzmacniają granice ziaren lub subziaren, zwiększając wytrzymałść, udarnść, a także dprnść na krzję naprężeniwą [155]. Jak już dntwan t w pdrzdziale 3.2, mangan w przeciwieństwie d innych przejściwych pierwiastków (częściw za wyjątkiem V i Cr) charakteryzuje się pewną, chciaż niewielką, zdlnścią d wydzieleniweg umacniania aluminium w prcesie bróbki cieplnej [148]. Jest n (Mn) też ważnym ddatkiem stpwym dla utwardzanych wydzieleniw stpów aluminium przeznacznych d przeróbki plastycznej [197]. Według I. Plmeara [326], pdczas wygrzewania stpu Al-Mn, mangan zwykle ulega wytrąceniu w pstaci dyspersyjnej fazy AlR6RMn, a tylk 0,2 0,3% at. pzstaje w rztwrze stałym. Wątpliwści c d mżliwści utwardzania dyspersyjneg stpów aluminium z manganem, szczególnie tych przeznacznych d dlewania, wyrażne są w pracach [197, 448]. Z teg prawdpdbnie pwdu L.F. Mndlf dntwuje [268], że wprwadzanie manganu d stpów dlewniczych jest bardz graniczne. Zwykle w twrzywach d teg przeznaczenia uważany jest n za zanieczyszczenie, któreg zawartść na dpwiedni niskim pzimie jest ściśle kntrlwana [kau05]. W niektórych przypadkach mangan jest jednak celw ddawany d stpów aluminium. O ile w siluminach dlewniczych (zgdnie z PN-76/H-88027), zawierających zazwyczaj ddatkw miedź i/lub magnez, zawartść manganu waha się w granicach d 0,1 d 0,8% [327], t w stpach aluminium przetwarzanych plastycznie (zgdnie z PN-79/H-88026) dchdzi d 1,5%. Z uwagi na nieduże zawartści manganu w stpach Al-Si przeznacznych na dlewy, uważany jest n za wspmagający ddatek stpwy; wprwadzany jest najczęściej w celu neutralizacji szkdliweg działania żelaza [217, 498]. W stpach aluminium specjalneg przeznaczenia (wg PN-EN 601:2005) jeg dpuszczalne czy też pżądane zawartści sięgają jednak pzimu 3,0%. J.G. Kaufman raz E.L. Ry [197] pdkreślają także, że mangan w ilściach pwyżej 0,5% tj. z wyskim udziałem fazy AlR6RMn krzystnie mże wpływać na zdlnść stpów aluminium d tłua) b) c) Rys Wpływ manganu i innych ddatków stpwych w aluminium na: a) efekt umcnienia rztwrweg (charakteryzwaneg przyrstem napięcia pwierzchniweg σ, przypadająceg na 1% at. ddatku), w dniesieniu d czynnika wymiarweg Ω [195], b) przyrst granicy plastycznści [326] raz c) zmianę mdułu Yunga [155, 326, 346, 497] 60

62 mienia drgań; jeg becnść mże pnadt plepszać jakść wykańczającej bróbki chemicznej raz andwania. Według danych pchdzących z prac [ 268, 516], mangan mże wpływać też na gólną pprawę dprnści krzyjnej stpów aluminium. W układzie Al-Cu becnść Mn, w ilściach mniejszych niż 1%, krzystnie wpływa na stabilnść cieplną stpu [498]; jest t prawdpdbnie knsekwencją dntwaneg w pracy [268] faktu, iż Mn zmniejsza szybkść dyfuzji miedzi w stpach aluminium (vide pdrzdział 3.2). Ddatki manganu w aluminium zwiększają jeg gęstść, jednak w niec mniejszym stpniu niż pwduje t żelaz czy nikiel [155, 346]. W przypadku współczynnika rzszerzalnści cieplnej sytuacja jest dwrtna; dylatacja Mn tylk nieznacznie jest mniejsza d dylatacji Al, kiedy dla Fe, Ni, Cr, C i innych przejściwych pierwiastków blku d układu kresweg ma znacznie niższe w prównywalnych warunkach wartści [233]; w knsekwencji mangan będzie w mniejszym stpniu bniżał rzszerzalnść cieplną stpów aluminium niż pzstałe pierwiastki przejściwe. W materiałach źródłwych brak jest jednak jakichklwiek danych dtyczących wpływu Mn na trwałe zmiany wymiarwe siluminów tłkwych w warunkach bciążeń cieplnych. Obecnść manganu w aluminium zmniejsza jeg przewdnść cieplną i elektryczną [32, 105, 342], natmiast nieznacznie wpływa na jeg (Al) napięcie pwierzchniwe w stanie ciekłym [268]. Z rzważań przeprwadznych w pdrzdziale 3.2 wynika, że mangan w zwykle wprwadzanych d stpów aluminium ilściach nie pwinien pgarszać lejnści, skłnnści d pęknięć na grąc, ani też sprzyjać prwatści typu skurczweg. Autr pracy [203] stwierdza, że mangan wręcz przyczynia się d zmniejszenia prwatść dlewów ze stpów aluminium. 61

63 4. Cynk w bezniklwych siluminach wytwarzanych z surwców wtórnych Ważną, chciaż nieliczną, pdgrupę bezniklwych siluminów stanwią te prdukwane współcześnie z surwców wtórnych. Charakteryzują się ne nie tylk pdwyższnym pzimem dpuszczalnych zawartści żelaza, ale także i cynku. Należy przypuszczać, że ich rla w niedalekiej perspektywie będzie znacząc rsła, albwiem systematycznie zwiększa się gólny udział dlewniczych stpów aluminium pchdzących z recyklingu [498]. W USA, Eurpie Zachdniej i Japnii wskaźnik ich dzysku dchdzi becnie d pzimu 75 80% [498], kiedy t jeszcze w drugiej płwie lat 90. ubiegłeg wieku wynsił 35 42%; w Plsce w tym czasie był równy 20 25% [429]. Wpływ żelaza na ważniejsze charakterystyki bezniklwych siluminów stpwych przedstawin w rzdziale 9 w układzie interaktywnym, tj. w relacji z innymi pierwiastkami (Si, Cu, Mg i Mn), głównie z uwagi na jeg (Fe) ddatkwy aspekt ewentualneg zamiennika niklu. Ocena rli cynku w bezniklwych siluminach tłkwych stanwi drębne zagadnienie. Ze względów czaswych i eknmicznych ta część pracy zrealizwana była według klasyczneg planu dświadczeń (vide pdrzdział 7.3) [324, 325] Wpływ cynku na właściwści aluminium raz stpów układu Al-Si Analiza specjalistycznej literatury z zakresu metalznawstwa stpów aluminium [32, 137, 142, 148, 268, 310, 314, 315, 405] pkazuje, że cynk stsunkw łatw rzpuszcza się w aluminium (vide też tabela 5.1). Zgdne jest t z prawem L.S. Darkena R.W. Gurry eg, gdyż różnica prmieni atmwych raz elektrujemnści Al i Zn jest mniejsza niż 15% [65, 164]. Cynk z aluminium twrzy wykres równwagi fazwej typu eutektyczneg (94,0% Zn, w temperaturze 382 C), ze złżnymi przemianami w stanie stałym [16, 22, 29, 148, 268]. W pdwójnym układzie Al-Zn pwstaje szerki zakres Al - rztwru stałeg z maksymalną rzpuszczalnścią cynku, w temperaturze przemiany eutektycznej, sięgającą pzimu 83,1% (67,0% at.). W temperaturze pkjwej równwagwa rzpuszczalnść cynku w aluminium wynsi zaledwie kilka (1 4) prcent [29, 268, 310, 314]. Birąc pd uwagę duże wartści liczbwe dla kryterium granicznej rzpuszczalnści cynku w aluminium (α = 67,0% at.) raz kryterium rzkładu ω = 0,77 (vide tabela 3.2), Zn winien grmadzić się w miarę równmiernie w całym bszarze ziaren α Al - rztwru stałeg. W mikrstrukturze stpów układu Al-Si-Zn (vide rys. 4.1a i b), nazywanych siluminami cynkwymi [370, 448], nie występują dwu- czy trójskładnikwe fazy międzymetaliczne [32, 268, 347]. W becnści cynku rzpuszczalnść krzemu w Al - rztwrze stałym niec się bniża, natmiast krzem przypuszczalnie nie wpływa na rzpuszczalnść cynku w aluminium [268]. Pdczas krystalizacji stpu Al-Si-Zn d strny aluminium, pwstają najpierw dendryty α Al - rztwru stałeg, a w dalszej klejnści w temperaturze 577 C lub niec niższej (w zależnści d zawartści Zn) kształtuje się ptrójna eutektyka α Al + Zn + Si (vide rys. 4.1b) [310, 314, 370]. Trójskładnikwe siluminy cynkwe (Al-Si- Zn), pdbnie jak stpy układu Al-Zn-Si (zawierające 10 14% Zn), psiadają w temperaturze pkjwej dbrą wytrzymałść bez bróbki cieplnej; cechują się także niezłymi dlewniczymi właściwściami [141, 370]. Mechaniczne parametry stpów układu Al-Si-Zn są wyższe d tych dla pdwójnych (Al-Si) siluminów i zależą w dużym stpniu d zawartści cynku [268]. Pierwiastek ten niekiedy ddawany jest d stpów układu Al-Si w celu 62

64 pprawy dprnści na krzję [268, 339]. Rezultaty bliczeń przeprwadznych przez H.Y. Hunsickera [165] wskazują, że ddatki cynku szczególnie w becnści magnezu sprzyjają zmniejszeniu wielkści trwałych zmian wymiarwym w warunkach bciążeń cieplnych (vide punkt 5.3.1). a) b) Rys Wykresy równwagi fazwej stpów Al-Si-Zn: a) iztermiczny przekrój w temperaturze 527 C [16]; b) przekrój pinwy dla 4,9% (4,7% at.) Si [347] Pdwójne i/lub ptrójne związki międzymetaliczne cynku w siluminach pwstają głównie w becnści magnezu, jednakże ich temperatura tpnienia raz mikrtwardść nie są wyskie (vide tabela 3.1). Oznacza t, że Zn nie mże być uważany za ddatek umacniający aluminium i jeg stpy w pdwyższnej czy wyskiej temperaturze. W układzie Al-Si-Mg-Zn nie zidentyfikwan czterskładnikwych faz; cynk, znajdujący się w Al - rztwrze stałym, zmniejsza temperaturę tpnienia stpów teg układu, nawet przy zawartściach magnezu i krzemu mniejszych niż 1% [234]. Z prac [32, 268] wynika, że punkt krzepnięcia ptrójnej eutektyki dla stpu Al-Si-Mg, pwstającej zgdnie z reakcją: L Al + (Mg 2 Si) + Si, bniża się przy zwiększeniu w nim zawartści cynku d 0 d 8% z 555 d 547 C (vide pdrzdział 10.3). Badania przeprwadzne przy udziale autra niniejszeg pracwania pkazały natmiast, że w stpie AlSi8Cu3Mg0,4 wzrastającej d 1 d 10% zawartści Zn, temperatura krystalizacji eutektyki krzemwej ulega bniżeniu z 574,5 d 565,2 C [370]. W siluminach cynkwych bgatych w miedź lub mangan mgą twrzyć się fazy międzymetaliczne typu: a) (CuZn 5 ); b) T(Al 17 Cu 17 Zn 6 ), niekiedy identyfikwane jak τ(al 3 Cu 5 Zn 2 ) raz c) T 1 (Al 24 Mn 5 Zn). Związek CuZn 5 (83,72% Zn i 16,28% Cu) psiada budwę heksagnalną (grupa przestrzenna P6 3 /mmc), parametrach (nm): a = 0,274 i c = 0,429, a jeg mikrtwardść HV jest rzędu 1510 MPa. Z klei faza τ ma regularną budwę sieci krystalicznej, Pm3m grupę przestrzenną raz 2 atmy w elementarnej kmórce; jej skład chemiczny jest następujący (w %): 60,01 Cu, 24,70 Zn i 15,29 Al; mikrtwardść wynsi natmiast k MPa. Związek Al 24 Mn 5 Zn fazy T 1 składzie chemicznym (w %): 65,57 Al; 27,81 Mn i 6,62 Zn charakteryzuje rtrmbwy typ struktury, parametrach sieciwych (w nm): a = 2,51; b = 2,48 i c = 3,03. W dstępnych materiałach źródłwych (np. [32, 268, 498]) infrmacje fizykchemicznych właściwściach innych faz cynkwych są jednak graniczne Siluminy tłkwe z cynkiem Pza nielicznymi wyjątkami, cynk w dlewniczych siluminach tłkwych zaliczany jest d typwych zanieczyszczeń [79]. W zdecydwanej większści przypadków górne 63

65 dpuszczalne granice jeg zawartści w tych stpach wahają się d 0,02 d 1,20 (max. 1,50)% (vide rzdział 2, tabele 2.1 i 2.8). W pdgrupie bezniklwych siluminów tłkwych, na bazie surwców wtórnych, występują takie stpy, w których dpuszczalne zawartści cynku sięgają pzimu z zakresu 1,20 3,00% (vide tabela 2.8); w szczególnści są t: a) wśród pdeutektycznych hiszpański L-2630 raz amerykańskie (USA) A333.0, A383.0 i A384.0; b) wśród kłeutektycznych rsyjski niestandardwy stp AK12M3- Mг (p części); raz c) wśród nadeutektycznych amerykański B390.0 (wariantw). W teg typu siluminach maksymalne dpuszczalne zawartści żelaza wynszą 1,3%. W punkcie wspminan już amerykańskim patencie z 1981 rku [374], w którym prpnwany jest zamiennik dlewniczeg bezniklweg siluminu tłkweg F-132 (AA 332.0, vide tabela 2.8), zwiększnych zawartściach magnezu (średni d 3,0%) raz cynku (d 5,5%). Badacze rsyjscy celw wprwadzali Zn d znrmalizwaneg siluminu tłkweg AЛ25 (AlSi12Cu2MgNi) z niklem [459]. Stwierdzają ni, że cynk pdbnie jak cyrkn pwduje gólny wzrst zwartści (gęstści) dlewów tłków raz bniżenie w warunkach prdukcyjnych pzimu wybrakwanych dlewów z d 2 3%. Niestety autrzy pracy [459] nie pdają żadnych innych infrmacji szczególnie tych, dtyczących wpływu Zn na ważne, z punktu widzenia eksplatacji tłków, fizykchemiczne (w tym mechaniczne) właściwści stpu AЛ25. Japńscy specjaliści, w amerykańskim patencie [280], zastrzegają skład chemiczny dprneg na działanie pdwyższnej temperatury bezniklweg siluminu stpweg (z przeznaczeniem m.in. na tłki), zwiększnych zawartściach (d 1,12 d 2,40%) cynku; preferwane ilści pdstawwych składników stpwych były następujące (w %): 12,5 14,0 Si; 3,0 4,5 Cu; 1,4 2,0 Mg; pzstałe Al raz zwykłe zanieczyszczenia. W prpnwanym rzwiązaniu [280] znamienne jest t, że rzpatrywany stp, w becnści cynku, zdlny jest d ddatkweg umacniająceg efektu pdczas bróbki cieplnej (na skutek wydzieleniweg prcesu pdczas starzenia z udziałem faz cynkwych), przy dpwiednim stsunku Mg : Zn. Pzwlił t pdwyższyć mechaniczne raz tryblgiczne właściwści stpu wyjściweg; rzpatrywany silumin z ddatkami cynku cechuje też zwiększna dprnść na zatarcia. Istnieje szereg dlewniczych bezniklwych siluminów stpwych gólneg i specjalneg przeznaczenia (inneg niż tłki silników spalinwych), nierzadk na bazie surwców wtórnych, w których cynk występuje jak pżądany ddatek stpwy [57, 83, 339, 525]. Z publikacji znaneg brytyjskieg badacza J. Campbella [66] wynika, że w W. Brytanii pracwany niedawn zstał stp wtórny (ang. secndary ally), analg dlewniczeg siluminu LM24 (AlSi8,5Cu3,5 wg BS 1490 [61, 114]), zwiększnych d 2,5% dpuszczalnych zawartściach cynku. W znrmalizwanym stpie LM24, wytwarzanym z czystych materiałów wsadwych, górna zawartść cynku graniczna jest d pzimu 0,3% [61, 114]. W dstępnych materiałach źródłwych praktycznie brak jest ilściwych danych wpływie cynku na ważniejsze fizykchemiczne (w tym mechaniczne) raz technlgiczne właściwści siluminów tłkwych. W związku z tym w części eksperymentalne pracy pstanwin przeprwadzić pewne w tym względzie badania (vide rzdział 10). 64

66 5. Stabilnść wymiarwa siluminów tłkwych W dróżnieniu d pjęcia dkładnści wymiarwej dlewów w prcesach wytwarzania [398], stabilnść wymiarwa t zdlnść d zachwywania, w kreślnych granicach, ich wymiarów, kształtów raz płżenia w trakcie eksplatacji [359, 520]. Parametry stabilnści wymiarwej należą d jednych z najisttniejszych charakterystyk twrzyw tłkwych [416]. One t statecznie decydują wielkści dbieranych przez knstruktrów luzów złżenia tłk-tuleja cylindrwa, które mają isttny wpływ na mc, trwałść i niezawdnść, eknmiczne i eklgiczne wskaźniki, a także bezpieczeństw pracy silnika spalinweg [219, 233, 293, 310, 315, 376, 420, 421]. Stabilnść wymiarwą twrzyw tłkwych należy rzpatrywać w szerszym kntekście prblematyki stabilnści strukturalnej [257, 491]. Destabilizacja struktury mże być przyczyną przedwczesneg zużycia tłka, pwstawania różnrdnych sytuacji awaryjnych (w tym zatarć na skutek tzw. puchnięcia stpu) raz przestjów w pracy silnika [219, 310, 315]. W literaturze metalznawczej [110, 233, 306, 310, 315, 342, 484], jak też dtyczącej silników spalinwych, [219, 361], cenę zmian wymiarwych materiału tłka, w warunkach wahań temperatury, piera się głównie na wartściach współczynników rzszerzalnści cieplnej kreślanych w zakresie rbczej temperatury najczęściej: C. Tymczasem, jak pkazują t publikacje [226, 276, 355, 418], w niektórych stpach tłkwych, w temperaturze z przedziału C, bserwwane są nagłe, skkwe przyrsty dkształceń. Rdzi t ptrzebę rzpatrywania, pza uśredniającym technicznym współczynnikiem rzszerzalnści cieplnej, także fizyczneg (rzeczywisteg) współczynnika dla ściśle kreślnej temperatury. Niewielka jest natmiast liczba publikacji dtyczących ceny niedwracalnych (trwałych) zmian wymiarwych siluminów tłkwych w warunkach bciążeń cieplnych. Za granicą raz w Plsce znane są teg typu prace, głównie w kntekście wpływu na nie parametrów bróbki cieplnej raz spsbów mdyfikacji stpów [155, 246, 247, 175, 197, 291, 328, 331, 332, 334, 392, 484]. W świetle przytcznych faktów, naturalnym wydaje się gólny pdział zmian wymiarwych występujących w twrzywach tłkwych zaprpnwany przez Z. Pniewierskieg [328], S. Jurę i in. [191], a także S. Pietrwskieg i B. Siemińską-Jankwską [ ] na dwa rdzaje: a) dwracalne, tj. te związane z rzszerzalnścią cieplną raz b) niedwracalne, pwdwane przede wszystkim prcesami wydzieleniwymi. Również w amerykańskiej publikacji [155] znajdujemy pdbneg typu rzgraniczenie. Zagadnienia stabilnści wymiarwej d niedawna nie były dtychczas w szerszym kręgu zaintereswania naukwców raz technlgów, a istniejące dane na ten temat mają nierzadk sprzeczny charakter [272]. Stale wzrastające wymagania i knkurencja, zmuszają specjalistów d przeprwadzenia kmplekswych badań i pracwań w tym zakresie. Tymczasem, w publikacji brytyjskich ucznych J.W. Martina i R.D. Dherty [257] zwrócn uwagę, że ile przemiany strukturalne w prcesach wytwarzania (zakńczne bróbką cieplną) zbadane są dbrze, t rzpznanie tych zjawisk w warunkach eksplatacji wymaga systematycznych pracwań. Ptwierdzają t również amerykańscy specjaliści [125] pdkreślając, iż niedstateczna długtrwała stabilnść wielskładnikwych stpów jest współcześnie głównym prblemem stjącym przed zespłami pracwującymi nwe stpy knstrukcyjne. Ważnść danej tematyki zaakcentwał, jak pierwszy w Plsce, Z. Pniewierski [328] stwierdzając, że ceny zmian wymiarwych (w tym trwałych) tw- 65

67 rzyw pracujących w pdwyższnej temperaturze w tym przeznacznych m.in. na tłki silników spalinwych nabierają współcześnie szczególneg znaczenia. Pdbnie, w niedawn wydanych publikacjach książkwych L.A. Dbrzański [101] i H. Dybiec [110] zaakcentwali isttnść i aktualnść zagadnień długkreswej stabilnści struktury i właściwści stpów metali w warunkach bciążeń cieplnych. Mechanizmy dwracalnych i szczególnie niedwracalnych zmian wymiarwych twrzyw tłkwych, w warunkach eksplatacyjnych bciążeń cieplnych, d chwili becnej nie są dstatecznie pznane [272]. Dlateg też, ze względu na swją złżnść i wzajemne pwiązania, wymagają ne rzpznania, najpierw z pzycji najbardziej gólnych (termdynamicznych pdrzdział 5.1), by ptem przejść d bardziej szczegółwych wyjaśnień (pdrzdziały 5.2 i 5.3) Termdynamiczne kryteria stabilnści wymiarwej stpów Termdynamiczną stabilnść stpów metali gólnie determinuje: a) niezmiennść na pzimie atmów prcesów: dyfuzyjnych, przemieszczania wakansów i dyslkacji, segregacji wewnątrz i/lub na granicach ziaren, faz, defektów; b) stabilnść fazwa i strukturalna; c) stabilnść fizykchemicznych i specjalnych właściwści [200, 201, 225, 453]. Ważnym parametrem termdynamiczneg stanu układu (np. stpu) jest jeg bjętść (V). Parametr ten dzwierciedla wielść i różnrdnść warunków nierównwagwych, w tym metastabilnych, związanych z przemianami strukturalnymi raz z niedsknałścią i defektami budwy wewnętrznej [298]. Objętść jest tą wielkścią, która statecznie decyduje stabilnści wymiarwej twrzyw metalwych w warunkach zmiennych bciążeń cieplnych. Dlateg też z wielu wyrażeń na energię swbdną racjnalnie jest wybrać funkcję F, zwaną energią swbdną Helmhltza, zależną d bjętści V i temperatury T (przy stałym ciśnieniu, tj.: p = cnst), zdefiniwaną następując [130, 132, 233, 298, 453]: F = U TS, (5.1) lub w pstaci różniczki: df = du TdS SdT, (5.2) gdzie: U energia wewnętrzna układu, S jeg entrpia. Uwzględniając pnadt, że du = dq pdv, a dq TdS (gdzie: Q ciepł) trzymujemy [453]: df = SdT pdv. (5.3) Warunkiem termdynamicznej równwagi prsteg (jednrdneg) układu jest minimum energii swbdnej F. Przy przejściu d układów prstych d złżnych, składających się z wielu elementów (i = 1, 2,..., n), mżliwa jest wymiana masy układu z tczeniem, a także pmiędzy pszczególnymi jeg składnikami (np. struktury stpu). Pwstająca przy tym zmiana składu chemiczneg pwinna być włączna d zależnści (5.3) jak parametr zmiany stanu układu, a wtedy [217, 225]: 66 n df = SdT pdv + μ dm i i, (5.4) gdzie: μ i ptencjał chemiczny i-teg elementu układu, m i jeg masa. Fundamentalnym warunkiem termdynamicznej równwagi wielskładnikwych, hetergenicznych układów (np. struktury stpów metali), będących w aktywnym ddziaływaniu z zewnętrznym śrdwiskiem, jest przyrównanie d zera wyrażenia (5.4) [132, 453, i 1

68 282]. Stan lkalnej równwagi pszczególnych części składwych układu w każdej chwili mże być przy tym pisany, dla cząstkwych wielkści mlwych, równaniem [26, 161, 225, 298]: n df j = s j dt j p j dv j + μ dc ij ij, (5.5) gdzie: s j, V j, μ ij dpwiednie cząstkwe mlwe wielkści entrpii, bjętści raz ptencjału chemiczneg j-teg elementu mikrstruktury (rztwru stałeg, związku międzymetaliczneg, itp.); T j, p j jeg temperatura i ciśnienie; c ij mlwe stężenie i-teg składnika (pierwiastka) w j-tej fazie (c ij = m ij /m j ); przy czym: i 1 k S s j j 1 p dv (k t liczba faz). Z przeprwadznych rzważań wynika, że pdstawwą gemetryczną zmienną charakteryzującą cały układ jest jeg bjętść V; jeżeli natmiast pdzielny jest n na kilka części, za pmcą sztywnych i nieruchmych przegród (na przykład granicami ziaren), będą t bjętści (V j ) każdej z nich [99]. Warunkiem termdynamicznej równwagi złżneg układu jest taki jeg stan, w którym siąga n minimum energii swbdnej F względem zewnętrznych czynników (p, T, V, m i ); jedncześnie wszystkie jeg wewnętrzne termdynamiczne wielkści j (p j, T j, V j, μ ij, m ij ), a także dwlne parametry (właściwści) j pszczególnych części (np. składników fazwych stpu) winny zdążyć przyjąć równwagwe wartści (dpwiedni: 0j raz 0j ), zgdnie z następującymi umwnie zapisanymi równściami [233, 298]: j ξ j = ξ 0j, ζ j = ζ 0j. (5.6) Wewnętrzne termdynamiczne parametry j t na przykład: pjemnść lub przewdnść cieplna, współczynnik rzszerzalnści cieplnej, a także współczynnik ściskania czy też wzajemne ułżenie jednrdnych i różnrdnych atmów w sieci krystalicznej [298]. Przy stałym ciśnieniu i temperaturze, warunkiem równwagi chemicznej wielskładnikweg układu jest [201]: n j μ d ij ij 0. (5.7) i 1 Układ dchdzi zazwyczaj d stanu równwagi p pewnym czasie. Przyjmuje się, że w ciągu dstatecznie długieg przedziału czasweg (tj. kiedy τ τ kr, gdzie: τ kr krańcwa wartść teg przedziału) dwlny wewnętrzny parametr j dąży d stanu termdynamicznej równwagi, przyjmując pewną średnią wartść ζ 0j kreślną wzrem [26]: τ 1 k r ζ 0 j lim ζ ( τ) dτ. (5.8) τ τkr τkr 0 Gemetryczną interpretację zależnści (5.8), dla wewnętrzneg parametru (właściwści) ζ j jaką jest np. bjętść V j lub bjętść właściwa j j-tej fazy mikrstruktury stpu w funkcji czasu, pkazuje rysunek 5.1. Rys Schemat dchdzenia, w funkcji czasu, wewnętrzneg termdynamiczneg parametru ζ j układu d stanu równwagi [26] 67

69 Zmiana bjętści całeg układu (V) jest knsekwencją zmian bjętści pszczególnych faz (V j ) w stpach, zachdzących przy wahaniach zewnętrznych parametrów (np. temperatury) Z pzycji gólnych, przyjmwanych w termdynamice, jak elementy struktury stpów należy rzpatrywać również wszelkieg rdzaju defekty [127, 298] Parametry rzszerzalnści cieplnej jak miary dwracalnych dkształceń W literaturze specjalistycznej istnieją dwa główne spsby teretyczneg rzpatrywania zagadnień rzszerzalnści cieplnej ciał: mikrskpwy i fenmenlgiczny (termdynamiczny) [117, 283, 410]. W zagadnieniach fizyki ciała stałeg, na pzimie mikrskpwym, z pwdzeniem wykrzystywany jest najprstszy dwuatmwy mdel pracwany przez E. Fermi eg i J.I. Frenkela [283]. Fenmenlgiczny spsób wyznaczania rzszerzalnści cieplnej, pracwany przez E. Grüneisena, party jest na terii pjemnści cieplnej kryształów sieci sześciennej [117, 233, 283]; bazuje n na załżeniu, że przebiegi współczynnika rzszerzalnści (α) i pjemnści cieplnej (C V ) są pdbne raz na wynikach eksperymentów pkazujących, iż wartści bydwu tych wielkści fizycznych, przy bniżaniu temperatury d zera abslutneg, dążą również d wartści zerwych W termdynamice wyznacza się liniwy (T) bądź bjętściwy (T) współczynnik rzszerzalnści cieplnej w danej temperaturze T, przy stałym ciśnieniu p (tzw. izbaryczny współczynnik), z zależnści [26, 217, 233, 274, 454]: d[lnl( T )] 1 dl( T ) α T dt p l T dt d[lnv ( T )] 1 dv ( T ) ( ), β T ( ) dt p p V T dt ( ), (5.9) ( ) p gdzie: l(t) i V(T) dpwiedni długść i bjętść układu w danej temperaturze T. Jeżeli znaczyć przez l 1 = l(t 1 ) długść pręta pmiarweg w temperaturze dniesienia T = T 1 raz jeśli wywłane niewielkie zmiany temperatury dt spwdują małe c d bezwzględnej wartści, w prównaniu z l 1 różnice w długści pręta dl(t), t wielkść [26, 103, 117, 205, 232, 233, 235]: 68 α T 1 dl( T ) 1 fiz l1 dt, (5.10) nazywana jest fizycznym (alb rzeczywistym) współczynnikiem rzszerzalnści cieplnej. W technicznych zastswaniach wykrzystywany jest najczęściej uśredniny parametr rzszerzalnści cieplnej twrzyw, w zakresie temperatury T 1 T 2, kreślany zależnścią [26, 103, 232, 233, 235, 428]: 1 l2 l α T T tech, (5.11) l1 T2 T1 gdzie: l 2 = l(t 2 ), a temperatura T 2 jest względnie ddalna d temperatury T 1 i nazywany jest technicznym współczynnikiem rzszerzalnści cieplnej. Średnia wielkść rzszerzalnści cieplnej twrzywa tłkweg kreślana technicznym współczynnikiem rzszerzalnści cieplnej, w zakresie rbczej temperatury T 1 T 2 przyjmwana jest w literaturze silnikwej d bliczeń zmian średnicy tłka na pdstawie wyrażenia [33, 109, 213, 219, 388, 389, 469, 472]: D α T T1 ( T ) 1, (5.12) T1 T2 tech Dtł 2 T gdzie: D tł średnica tłka; T 1 temperatura tczenia; T 2 średnia temperatura tłka (na wyskści średnicy D tł ), dpwiadająca warunkm jeg maksymalneg bciążenia.

70 Wielkści D, bliczne, zgdnie z zależnścią (5.12) na różnych wyskściach tłka, w przekrjach równległych i prstpadłych d si swrznia służą d krekty kształtu i wymiarów jeg pbcznicy raz przyjmwania knstrukcyjnych luzów w złżeniu tłktuleja cylindrwa [109, 214, 219, 233]. Parametry rzszerzalnści cieplnej twrzywa tłkweg są bardz ważne jeszcze z jednej przyczyny. Ich pdwyższne wartści sprzyjają wzrstwi przy teretycznie niezmiennych pzstałych właściwściach (głównie temperatury T) naprężeń cieplnych, zgdnie z jakściwym kryterium K nc [155, 182, 361, 388]: α E α E K nc czy K nc, (5.13) λ λ(1 μ) gdzie: E mduł sprężystści Yunga, λ przewdnść cieplna raz μ współczynnik Pissna. Rzszerzalnść pierwiastków (w tym Al) gólnie zależy d charakteru i wielkści sił międzyatmwych występujących w sieci krystalicznej. Ptwierdzeniem teg jest m.in. funkcjnalna zależnść pmiędzy współczynnikiem rzszerzalnści cieplnej czystych metali i ich temperaturą tpnienia, przybierającą pstać [310, 315]: 1 α ~ k, (5.14) T gdzie: k współczynnik prprcjnalnści. Wprwadzenie d aluminium ddatków stpwych prwadzi d zmian w parametrach rzszerzalnści cieplnej przebiegu praktycznie liniwym (rys. 5.2). Idea wyznaczania współczynników rzszerzalnści cieplnej stpów aluminium na pdstawie prawa addytywnści była rzwijana w pracach L.A. Willeya z Alca Research Labratries [155]. Zakładał n, iż zmiana rzszerzalnści stpu aluminiweg stanwi kreślną część tejże zmiany dla aluminium czystści 99,996%, w stanie wyżarznym przyjętą jak wielkść stałą, równą 1. Rys Wpływ ddatków stpwych na liniwy współczynnik rzszerzalnści cieplnej aluminium czystści 99,996% w stanie wyżarznym; w tabeli zmiana knstanty przypadająca na 1% wag. ddatku (pracwanie własne, na pdstawie danych pchdzących z prac [6, 155]) Magnez raz cynk zwiększają rzszerzalnść cieplną aluminium, natmiast Cu, Mn, Cr, V, Ti, Si raz szczególnie Fe i Ni wpływają na jej zmniejszenie (rys. 5.2). Analiza danych L.W. Kempfa (za [342]), dtycząca wpływu pierwiastków na rzszerzalnść cieplną w ptrójnych i bardziej złżnych układach stpów aluminium pkazała, że w przypadku braku przemian fazwych charakter ddziaływania jest pdbny d tych w stpach pdwójnych. Od prawa addytywnści istnieją jednak pewne wyjątki, dtyczące przede 69

71 wszystkim ddatków twrzących fazy międzymetaliczne małej rzpuszczalnści w Al - rztwrze stałym, takie na przykład jak: β(mg 2 Si) czy (MgZn 2 ) [155]. Obserwwane dstępstwa szczególnie w złżnych, wielfazwych układach (jakimi bez wątpienia są siluminy tłkwe) każą statecznie przyjmwać wielkści eksperymentalne [233, 342, 446]. Liczne dylatmetryczne badania siluminów tłkwych pkazują, że mgą mieć ne różne przebiegi. Przykładwe, najbardziej typwe z nich, w układzie l/l 0 = f(t), schematycznie ilustrują wykresy a d na rysunku 5.3. Rys Typwe przebiegi krzywych badań dylatmetrycznych siluminów tłkwych [233] Zwrócić uwagę należy na fakt, iż w warunkach eksperymentu nie zawsze przedstawiają ne idealnie liniwej zależnści (rys.5.3). Pnadt krzywe nagrzewania i chłdzenia najczęściej nie pkrywają się, a częst nawet twrzą pętle i/lub histerezy [306, 307, 418]. Obszerne wyniki badań, dtyczące analizy histerezy współczynnika rzszerzalnści cieplnej siluminów (w tym tłkwych), zaprezentwane zstały w publikacjach S. Pietrwskieg i B. Siemińskiej-Jankwskiej [308, 310, , 389]. Właśnie z tym zjawiskiem (histerezy) niektórzy badacze [306, 307, 310, 315, 381, 390, 484] wiążą zasadnicze przyczyny niestabilnści wymiarwej metalwych twrzyw tłkwych. Widczne na rysunku 5.3b różnice δl tłumaczne są fizykchemicznymi prcesami, zachdzącymi w materiale tłka, pdczas nagrzewania i chłdzenia, w szczególnści takimi jak: a) przemiany fazwe i strukturralne, b) relaksacja naprężeń szczątkwych raz c) innymi [233]. Ddatnie bądź ujemne dkształcenia δl tr na wykresach c i d rysunku 5.3, p zakńczeniu bciążeń cieplnych, stanwią trwałe zmiany wymiarwe. Większść bserwwanych teg typu efektów dtyczy jednak próbek w stanie lanym lub niedstatecznie ustabilizwanych w trakcie bróbki cieplnej [307, 315, 381]. Siluminy pdeutektyczne charakteryzują się mniejszą histerezą niż stpy kłeutektyczne, chciaż z zasady mają większe wartści współczynnika rzszerzalnści cieplnej. Zjawiska te tłumaczy się przewagą dkształceń sprężystych w α Al - rztwrze stałym, krystalizującym przed eutektyką (α Al + β Si ) raz ściskaniem fazy Al w samej eutektyce (na skutek różnicy w rzszerzalnści fazy α Al, w dniesieniu d krzemwej fazy β Si ), prwadzących w knsekwencji d dkształceń plastycznych [310, 314, 315]. Mdyfikacja strntem, tytanem i brem zmniejsza histerezę siluminu kłeutektyczneg silniej niż mdyfikacja fsfrem, c jest prawdpdbnie knsekwencją zmiany mrflgii eutektyki krzemwej [315]. Część specjalistów (np. [204, 226, 276, 307, 355, 418]) wiąże niestabilnść wymiarwą stpów tłkwych również ze skkwym wzrstem i spadkiem wartści fizyczneg współczynnika rzszerzalnści cieplnej w pewnym zakresie temperatury, siągając maksimum w temperaturze krytycznej (t kr ). Pdbna charakterystyka cieplna materiału tłka mże przyczynić się w warunkach nagłeg przeciążenia silnika, a zatem wzrstu rbczej temperatury d pwstania zatarcia lub nawet zaklinwania tłka. Przykłady takich 70

72 niebezpiecznych przebiegów zmian wymiarów w prcesach nagrzewania i/lub chłdzenia pkazan na wykresach a i b rysunku 5.4. a) b) Rys Skkwa (z pikiem ) charakterystyka fizyczneg współczynnika rzszerzalnści cieplnej siluminów tłkwych: a) kłeutektyczneg [276] raz b) nadeutektyczneg [418] Mechanizmy teg typu zjawisk plegają na zmianie wewnętrzneg uprządkwania sieci krystalicznej raz bniżeniu wytrzymałści cieplnej w pbliżu krytycznej temperatury; jej przekrczenie skutkuje dalszym spadkiem wytrzymałści, będącym następstwem zmniejszenia stpnia nasycenia rztwru stałeg [276]. Francuscy naukwcy w pracy [355] wyjaśniają z klei, że miejsce wygięcia na krzywej dylatacyjnej dpwiada temperaturze rzpuszczania stref Guiniera-Prestna i faz pśrednich. J. Piaskwski i Z. Lech [307] zmianę pczątkw liniweg przebiegu fizyczneg współczynnika rzszerzalnści cieplnej wiążą z temperaturą starzenia lub utwardzania dyspersyjneg stpu. F.J. Feikus, z VAW Aluminium AG R&D (Bnn, Niemcy), w pracy [121] pkazał, że pmiędzy temperaturą 50 a 200 C wzrst współczynnika rzszerzalnści cieplnej dla wybranych pdeutektycznych bezniklwych siluminów stpwych, przeznacznych na głwice cylindrwe silników spalinwych ma praktycznie charakter liniwy, c pkazan na rysunku 5.5. Rys Fizyczny współczynnik rzszerzalnści cieplnej w funkcji temperatury dla stpów: AlSi7Mg; AlSi7MgCu0,5; AlSi9Mg i Al9MgCu0,5 p bróbce cieplnej typu T6 i wygrzewaniu przez 500 h w temperaturze 200 C [121] Występujące dstępstwa d takieg przebiegu były nieznaczne i mieściły się w granicach błędu pmiarweg; wzrst współczynnika α fiz w funkcji temperatury, pwdwany był (w mawianym zakresie C) zwiększeniem się parametru liniweg sieci krystalicznej snwy. Pwyżej 200 C następwał nagły wzrst fizyczneg współczynnika rzszerzalnści cieplnej, pwdując dstępstw d jeg wcześniejszeg liniweg przebiegu. Najmniejsze zmiany bserwwan w stpie zawierającym miedź (AlSi9MgCu0,5). Wzmżny wzrst długści próbek w temperaturwym przedziale C następwał 71

73 za przyczyną Prcesów wydzieleniwych; przypuszcza się, że był n wynikiem wytrącania się z α Al - rztwru stałeg fazy (Mg 2 Si). Pwyżej 300 C, dla większści badanych stpów (pza AlSi9MgCu0,5), bserwwan spadek rzszerzalnści cieplnej [121]. a) S. Pietrwski w pracach [310, 314, 315] dntwuje, że ddatkwy znaczny wzrst wielkści współczynnika rzszerzalnści cieplej metali i stpów mże pwdwać defekty punktwe w budwie sieci krystalicznej, takie jak: wakanse czy defekty Schttky eg i Frenkela; w mniejszym stpniu dyslkacje. Przebieg krzywej dylatmetrycznej zależy głównie d składu chemiczneg stpu [276]. Efekty w pstaci nagłych skków, pętli czy histerezy na wykresach = Δl/l 1 = f(t), prwadzące nawet d trwałych (niedwracalnych) dkształceń, mgą ulec zmniejszeniu czy nawet eliminacji pdczas bróbki cieplnej raz w trakcie bciążeń cieplnych w warunkach eksplatacji tłków (rys. 5.6a i b). Autr publikacji [484] stwierdza, że histerezę zmian współczynnika rzszerzalnści cieplnej mżna minimalizwać również na drdze zastswania wielkrtneg starzenia w pdwyższnej temperaturze; przy czym wydłużenie tylk czasu starzenia nie likwiduje histerezy. Zauważyć należy, że przy dbrze spsbu i parametrów bróbki cieplnej siluminów tłkwych knieczny jest zawsze kmprmis pmiędzy niezmiennścią wymiarów, a pdstawwymi właściwściami mechanicznymi [232, 233, 235, 236, 276, 355, 418]. Odpwiedni zptymalizwana bróbka cieplna mże minimalizwać również trwałe (niedwracalne) db) Rys Zmiana fizyczneg współczynnika rzszerzalnści cieplnej w funkcji temperatury: a) tłk nwy, b) tłk p próbie 1200-gdzinnej [226] 72

74 kształcenia w twrzywach tłkwych, pwdwane różnrdnymi przyczynami [2, 233] (pdrzdział 5.3) Niedwracalne (trwałe) zmiany wymiarwe w warunkach ciepln-mechanicznych bciążeń Analiza specjalistycznej literatury [23, 80, 202, 246, 247, 259, 309, 328, 331, 332, 334, 344, 375] pkazuje, że mechanizmy wywłujące w stpach niedwracalne (trwałe) zmiany wymiarwe mają złżny fizykchemiczny charakter i mgą się na siebie nakładać. Ugólniając dstępne w tym względzie publikacje mżna pwiedzieć, iż zmiany te pwdwane są głównie [233]: zachdzącymi w trakcie krystalizacji, bróbki cieplnej czy w warunkach eksplatacji przemianami fazwymi; zjawiskami kalescencji i kagulacji pierwtnych raz wtórnych faz; dyfuzją wdru wewnątrz stpu, jak też w jeg przypwierzchniwych warstwach; pełzaniem, w wyniku relaksacji naprężeń. W punktach pdan krótki pis mechanizmów pwstawania trwałych dkształceń w stpach, zgdnie z pdaną specyfikacją. Szczegółw zagadnienia te były pracwane przez autra niniejszej publikacji w trakcie realizacji prjektu badawczeg [233]. Uzupełnine zstały jedynie teretyczne ceny (na drdze bliczeniwej) trwałych dkształceń, pwdwanych prcesami wydzieleniwymi, w zależnści d becnści w stpach aluminium takich pierwiastków, jak: nikiel, mangan i żelaz Trwałe zmiany wymiarwe pwdwane prcesami wydzieleniwymi W trakcie chłdzenia stpu z wyższej temperatury d niższej twrzy się w warunkach dbiegających d równwagwych metastabilny (przesycny) rztwór stały α ; dąży n d siągnięcia stanu równwagi, właściweg dla tej statniej temperatury, pprzez zubżenie rztwru d zawartści α raz wydzielenie (wytrącenie) w mikrstrukturze nwej fazy, zgdnie z reakcją [192]: α α +. (5.15) Z termdynamicznie niestabilnym stanem przesycenia rztwru stałeg stpów (np. Al ) mamy d czynienia już w trakcie sameg ich dlewania, jak też w większym stpniu w trakcie peracji przesycania w prcesach bróbki cieplnej. Prcesy wydzieleniwe z klei następują w warunkach naturalneg bądź sztuczneg starzenia (czy innej stabilizacyjnej bróbki cieplnej) raz pdczas eksplatacji. Przemiany te mgą wpływać na zmiany wymiarwe stpu, które wygdnie jest wyrażać w jednstkach bjętści czy bjętści właściwej [233]. Związek pmiędzy zachdzącymi przemianami fazwymi a wielkścią zmian bjętściwych prześledzić najlepiej jest na przykładzie rzpadu rztwru stałeg substytucyjneg (różnwęzłweg). Teretyczną bjętść właściwą aluminium γ Al raz rztwru stałeg substytucyjneg γ α' na jeg snwie, w danej temperaturze bliczyć mżna z następujących zależnści [165, 221, 225, 386]: 3 3 NAaAl N Aaα' γal, γ ', (5.16) M n M n Al Al α' α' 73

75 gdzie: N A stała Avgadra; a Al dpwiedni: aluminium i przesycneg rztwru stałeg;, a α' parametr sieci krystalicznej (w temperaturze t C) M Al, M α' masa atmwa: n liczba atmów przypadająca na jedną kmórkę aluminium i α - rztwru stałeg; n Al, α' sieci aluminium raz α - rztwru stałeg (dla substytucyjneg rztwru: n α' = n Al ). Przyjmując, na pdstawie danych literaturwych [11, 65, 155, 165, 263], że: a Al = 4, , (średni: 4, ) cm, w temperaturze 20 C; M Al = 26,98154 g; n Al = 4; na pdstawie wzru (5.16) trzymamy następujący wynik dla aluminium: γ Al = 0,37055 cm 3 /g. W przypadku wielskładnikweg (z i = n składnikami, nie licząc Al), teretycznie jednrdneg rztwru stałeg substytucyjneg H.Y. Hunsicker [165] przyjmuje w pierwszym przybliżeniu liniwy mdel zmian parametru sieci aluminium, w zależnści d zawartści w nim pszczególnych ddatków stpwych i/lub zanieczyszczeń: zmiana parametru sieci, przypadająca na jeden prcent atmwy ddatku st- gdzie: a Al Δ a i/δy X i pweg X i w cm/% at.; at. a α' a Al n Δ ai, (5.17) i 1 Δy parametr liniwy sieci krystalicznej czysteg rzpuszczalnika (aluminium); X i y X zawartść ddatku X i i w stpie (α Al - rztwrze stałym) w % Masa atmwa przesycneg rztwru stałeg M α' jest średnią ważną z mas twrzących g składników (włączając w t snwę Al). Dla układów wielskładnikwych (Al- X 1 -X 2 - -X i - -X n, gdzie: X i = Si, Cu, Mg, itd.) trzymujemy wyrażenie dla M α' w pstaci [453]: n i M X yx M Al(100 yx ) i 1 1 α' i i i i M. (5.18) 100 gdzie: M X masa atmwa ddatku (i-teg pierwiastka) stpweg X i ; pzstałe wielkści jak w zależnściach 5.15 i Birąc pd uwagę zależnści (5.17) i (5.18) ze wzru (5.16) trzymujemy wyrażenie dla bjętści właściwej γ α' (w cm 3 /g) dwlneg rztwru stałeg substytucyjneg na snwie aluminium [165, 233]: γ α' 1, n aal (Δa /ΔyX ) y i i Xi i 1 n n M X yx M Al(100 yx ) n i i i i 1 i 1 n 3 Al. (5.19) Z wyrażenia 5.19 wynika, że bjętść właściwa rztwru stałeg jest funkcją nie tylk zmian wielkści parametru siatki krystalicznej, ale także średniej ważnej masy atmwej stpu, w zależnści d becnści w nim ddatków stpwych. W wyniku rzpadu (częściweg bądź pełneg) przesycneg rztwru stałeg α, w strukturze stpu pwstają: a) wydzielenia fazy międzymetalicznej β bjętści właściwej γβ raz b) zubżny rztwór stały psiadający bjętść właściwą γ. Jeżeli uwzględni 74

76 się udziały (w % wag.) zawartści tych faz, dpwiedni jak f β raz f, t łatw jest bliczyć bjętść właściwą stpu γs p rzpadzie, z zależnści dla mieszanin [165, 225, 233]: γα fα γβ fβ γα fα γβ fβ γs. (5.20) f f 100 α β Znajmść bjętści właściwej rztwru stałeg γ α' przy pełnym jeg przesyceniu ddatkami stpwymi (i/lub zanieczyszczeniami), a także bjętści właściwej stpu s p jeg rzpadzie, pzwala kreślić maksymalne zachdzące w tych warunkach względne zmiany wymiarwe na pdstawie zależnści: Δγ γ α' γ γ γ s α' s α' lub w prcentach α' Δγ γ α' γ γ. (5.21) γ a i X i Na rysunku 5.6 pkazane zstały liniwe przebiegi zmian parametru sieci krystalicznej aluminium, w zależnści d becnści w rztwrze stałym ważniejszych ddatków stpwych i/lub zanieczyszczeń. Dane wykresu rysunku 5.6a raz tablicwe zestawienia [165, 233], pzwliły wyznaczyć j(niezbędne d dalszych bliczeń) jednstkwe zmiany parametru sieci aluminium Δ /Δy przypadające na jeden prcent atmwy ddatku X i. Z rysunków 5.6a i b wynika, że spśród ważniejszych pierwiastków występujących w siluminach tłkwych jedynie magnez sprzyja znacznemu wzrstwi parametru sieci krystalicznej aluminium, natmiast pzstałe pierwiastki, w tym przejściwe blku d, działają dwrtnie. Szczególnie silnie zmniejsza parametr sieci krystalicznej α Al - rztwru stałeg nikiel. α' a) b) Rys Zmiany parametru sieci krystalicznej α Al - rztwru stałeg w zależnści d jeg składu chemiczneg (dla układów pdwójnych Al-X i, gdzie X i = Si, Cu, Mg, itd.): a) wyrażneg w prcentach atmwych i b) wyrażneg w prcentach wagwych (pracwanie własne na pdstawie danych pchdzących z prac [11, 65, 155, 165, 268]) Rzpuszczalnść ddatku stpweg w snwie ceniana jest najczęściej w metalznawczej literaturze w dniesieniu d wykresów równwagi fazwej, tj. trzymanych na pdstawie danych eksperymentalnych w prcesie nieskńczenie wlneg chłdzenia. Tymczasem warunki te bardz rzadk dpwiadają realnym prędkścim krystalizacji [148, 268], nie mówiąc już specjalnych technlgiach, takich jak: dlewanie ciśnieniwe, kkilwe czy prcesy szybkiej krystalizacji. Sytuacja ta zmusza d brania pd uwagę nierównwagwe układy raz wynikające z nich parametry. Tabela 5.1 zawiera dane dtyczące maksymalnej rzpuszczalnści w aluminium ważniejszych pierwiastków występujących w siluminach tłkwych, w warunkach bardz szybkieg chłdzenia. Z danych tabeli 75

77 5.1 wynika, że nawet te pierwiastki, które w warunkach równwagwych rzpuszczają się w rztwrze stałym aluminium w niewielkim stpniu (np. Fe, Ni czy C), w przypadku szybkieg chładzania mgą wykazywać niemały stpień przesycenia tegż rztwru. Znacznie wyższe d równwagweg rzpuszczanie ddatku w α Al - rztwrze stałym, w temperaturze pkjwej mżna uzyskać nie tylk przy szybkim krzepnięciu, ale także w prcesie mechaniczneg stpwania, c prezentuje wykres na rysunku 5.7. Tabela 5.1. Równwagwe raz maksymalne zawartści w α Al - rztwrze stałym ważniejszych ddatków stpwych i zanieczyszczeń występujących w siluminach tłkwych, w dniesieniu d pdwójnych układów Al-X i, gdzie: X i = Mg, Si, Cu itd. (pracwanie własne, na pdstawie danych pchdzących z prac [1, 32, 77, 148, 155, 157, 263, 268, 310, 314, 315, 326, 338, 498]) Symbl chemiczny Liczba atmwa Typ 1) przemiany w układzie Al-X i W temperaturze, [ C] / [K] Rzpuszczalnść, [% at.] / [% wag.] Zgdnie z układem równwagi 2) Maksymalna 3) Mg 12 E 450 / ,9 / 17,4 40,0 / 37,5 Si 14 E 577 / 850 1,59 / 1,65 16,0 / 16,5 Ti 22 P g 665 / 938 0,74 / 1,30 2,0 / 3,5 V 23 P g 661 / 934 0,21 / 0,40 1,4 / 2,6 Cr 24 P g 661 / 934 0,40 / 0,77 3,0 / 10,9 Mn 25 E 657 / 930 0,90 / 1,82 9,0 / 16,8 Fe 26 E 655 / 928 2, / 5, ,0 /11,7 C 27 E 657 / 930 1, / 2, ,0 / 10,3 Ni 28 E 640 / 913 2, / 4, ,7 / 15,4 Cu 29 E 547 / 820 2,48 / 5,65 18,6 / 35,0 Zn 30 E 382 / ,0 / 83,1 38,0 / 59,8 M 42 P g 660 / 933 7, / 2, > 1,0 / > 3,5 1) E eutektyka, P g perytektyka górna; 2) w temperaturze przemiany; 3) w rztwrze stałym p szybkim chłdzeniu (przesyceniu) ze stanu ciekłeg Rys Prównanie maksymalnej rzpuszczalnści pierwiastków w rztwrze stałym aluminium: a) przy mechanicznym stpwaniu MA (ang. Mechanical Allying); b) w prcesie szybkieg krzepnięcia RSP; c) w temperaturze pkjwej, w wyniku równwagwej krystalizacji RT Equilibrium (ang. Rm Temperature Equilibrium) [425] W celu kreślenia zmian wymiarwych w prcesach rzpuszczania ddatków stpwych raz wydzielania się ich w pstaci faz międzymetalicznych, pdstawwe znaczenie ma znajmść bjętści właściwej tych statnich. Zastawienie tych wielkści dla najczęściej występujących w siluminach tłkwych faz międzymetalicznych, wraz z uzupełniającą infrmacją nich, zamieszczne zstały w tabeli 3.1. Uprzywilejwanymi miejscami 76

78 zardkwania wydzieleń faz międzymetalicznych są defekty struktury tak w brębie ziaren Al - rztwru stałeg, jak też na ich granicach [344]. Obliczenia raz wykresy zaprezentwane przez H.Y. Hunsickera w [165] na pdstawie rzpatrzneg schematu cytwane za granicą [92] raz w Plsce [191, 233, 328] pkazują, że zarówn krzem, miedź, jak też magnez, samdzielnie i/lub w interakcji, sprzyjają ddatniej ekspansji wymiarwej stpów aluminium w prcesach wydzieleniwych; natmiast działanie cynku, szczególnie w becnści magnezu, jest dwrtne. Autr niniejszeg pracwania przeprwadził również teg typu bliczenia raz graficzną prezentację, jednakże w dniesieniu d jednstkwych bjętściwych zmian. Wykres na rysunku 5.8a jest w pełni zgdny z danymi H.Y. Hunsikera [165], jeżeli uwzględni się fakt, że pmiędzy liniwymi a bjętściwymi jednstkwymi zmianami wymiarwymi istnieje przybliżna zależnść: l/l 0 1/3 V/V 0 = 1/3 / 0. a) b) Rys Wpływ ilści wydzielnej fazy (związku międzymetaliczneg) z α Al - rztwru stałeg na maksymalne względne przyrsty bjętści właściwej w stpach: a) Al-Mg-Si raz b) Al-Fe i Al-Fe- Si (pracwanie własne) W kntekście tematu niniejszeg pracwania szczególne zaintereswanie budzi cena wpływu niklu, manganu i żelaza na trwałe zmiany wymiarwe aluminium i jeg stpów. W specjalistycznej literaturze brak jest teg typu cen wynikających zarówn z bliczeń teretycznych, jak i eksperymentalnych pmiarów. Graficzną prezentację przeprwadznych bliczeń, z udziałem wspmnianych pierwiastków raz twrznych przezeń faz (vide tabela 3.1), pkazuje wykres b na rysunku 5.8 raz wykresy a i b na rysunku 5.9. a) b) Rys Wpływ ilści wydzielnej fazy (związku międzymetaliczneg) z α Al - rztwru stałeg na maksymalne względne przyrsty bjętści właściwej w stpach aluminum: a) z niklem raz b) z manganem (pracwanie własne) 77

79 Niezależnie d teg, że mżna mieć pewne wątpliwści c d zasadnści takieg pstępwania w przypadku przejściwych metali blku d układu kresweg (gólnie uważanych za mał rzpuszczalne w aluminium), t niektóre eksperymentalne dane (np. [233, 375]) ptwierdzają chciażby częściw uzyskane bliczeniw wyniki. Szczególnie niebezpieczne w rzpatrywanym względzie są ddatki niklu, przy stsunkw małej zawartści miedzi. Mangan i żelaz, jak pkazują t wykresy na rysunkach 5.8 i 5.9, sprzyjają ddatnim trwałym przyrstm stpów aluminium, jednakże są rząd mniejsze w prównaniu d analgicznych wielkści dla niklu. Odpwiedni dbrane pzimy zawartści Si i/lub Cu w znacznym stpniu mgą pnadt graniczyć niekrzystne działanie Fe i przede wszystkim Mn (vide rys. 5.9b). Pdbne bliczenia i wykresy wyknane przez autra niniejszeg pracwania pkazały, że ddatnie trwałe przyrsty pwdwane wydzielaniem się z przesycneg α Al - rztwru stałeg międzymetalicznych faz chrmu i kbaltu są mniejsze d tych dla faz żelaza, ale większe niż w przypadku faz manganu. Przeprwadzne wyżej rzważania w zasadzie dbrze pisują zjawiska niestabilnści wymiarwej pwdwanej zmianami w mikrstrukturze, w tym głównie zmianami stanu fazweg, mającymi miejsce w prcesach wytwarzania, np.: dlewania i bróbki cieplnej tłków. Należy przypuszczać, że w zbliżny spsób mdelwać mżna zjawiska mikrstrukturalnych zmian, a zatem wymiarwych, zachdzących w stpach metali na drdze dyfuzyjnej w trakcie eksplatacji głównie w wyniku długtrwałeg działania wyskiej temperatury. Kmplekswe zbadanie przyczyn i pznanie mechanizmów niestabilnści wymiarwej siluminów tłkwych w tym d ddatków Ni, Fe i Mn wymaga jednak specjalneg prgramu badań Kalescencja i kagulacja faz krzemwych w warunkach wygrzewania W wyniku długtrwałeg przetrzymywania w wyskiej temperaturze krzem eutektyczny i pierwtny w siluminach ulega mrflgicznym przemianm. Decydują ne zasadnicz charakterze tzw. wtórnych (peksplatacyjnych) struktur twrzyw tłkwych, w dróżnieniu d struktury pierwtnej pprdukcyjnej [375]. Struktury pdbneg typu pwstają również w siluminach przy dłuższym (> 5 10 h) wysktemperaturwym (pwyżej 500 C) wygrzewaniu przed przesycaniem lub przy zastswaniu krótktrwałej ultrawysktemperaturwej sferidyzacyjnej bróbki cieplnej [84]. Kalescencja w siluminach plega głównie na łączeniu się kryształów krzemu, które znajdują się blisk siebie i mają kształt wydłużnych płytek. W prcesie tym kryształy krzemu zachwują swją mrflgię. Szczegółwy pis teg zjawiska mżna znaleźć w publikacjach książkwych S. Pietrwskieg [310, 314, 315]. Kagulacja fazy krzemwej, jak pdaje ten sam autr, t z klei dyfuzyjny rzrst cząstek większych, przy jednczesnym rzpuszczaniu się w snwie cząstek mniejszych, z zachwaniem stałeg ułamka bjętści drugiej fazy. Siłą napędwą kagulacji jest różnica energii swbdnych cząstek małych i dużych, t jest kiedy: Gβ G m d Si β c stanwi tzw. efekt Gibbsa-Thmsna [233, 281, 315, 369]. Wzrst wymiarów kagulwanych cząstek jest funkcją m.in. czasu raz współczynnika dyfuzji, a ten Si statni jest spśród ddatków stpwych występujących w siluminach tłkwych dla krzemu w aluminium duży (vide tabela 3.6). W pracy [375] pdan interesujące w tym względzie wyniki eksperymentów z tłkami ze stpu LM13 (AlSi12Cu1Ni2Mg1 wg BS1490 [61]), które pddawan wielmiesięcznym cyklm bciążeń cieplnych, plegających na: nagrzewaniu d temperatury 510 C i przetrzymywaniu w tej temperaturze w czasie 10 gdzin, a następnie schładzaniu d temperatury pkjwej. W wyniku setek takich cykli cieplnych kryształy krzemu eutektyczneg uległy c najmniej 10-krtnemu pwięk- 78

80 szeniu; nastąpiła też ich sferidyzacja, w prównaniu z kryształami krzemu występującymi w mikrstrukturze stpu tłka wyjściweg (pprdukcyjneg). Zmiany w gęstści wynsiły k. 33% i dpwiadały średniemu liniwemu zwiększeniu wyskści raz średnicy tłka k. 15%. Na ile efekty wymiarwe pwdwane były różnicą w mrflgii krzemu eutektyczneg, a w jakim stpniu zmianami w charakterze międzymetalicznych faz zawierających nikiel (w stpie LM13 był k. 2% Ni i k. 1% Cu) [375] dpwiedź mgą dać specjalne badania Trwała niestabilnść wymiarwa pwdwana pwstawaniem dyfuzyjnych pęcherzy gazwych Badania tłków pisane w punkcie wyknywane były w przemysłwym piecu d przesycania, w atmsferze pary wdnej [375]. Oprócz zmian w mrflgii krzemu eutektyczneg, pwdwanych zjawiskami kalescencji i kagulacji, w przypwierzchniwej warstwie tłków bserwwan pjawienie się jam gazwych rzmiarach d 0,05 d 0,15 mm (rys. 5.10). Badania E. Scheuera, S.J. Wiliamsa i J. Wda pkazały [375], że magnez w tych bszarach dyfundwał w kierunku pwierzchni tłków i częściw znikał, twrząc puste wewnątrz stpu miejsca, d których z klei penetrwał wdór siągając pzim zawartści k. 4,0 cm 3 /100 g, w przeciwieństwie d 0,2 cm 3 /100 g dla wyjściweg stpu LM13 (przed bciążeniem cieplnym). a) b) 50 μm 50 μm Rys Mikrstruktury części przypwierzchniwej tłków ze stpu LM13: a) w stanie wyjściwym; b) p cyklicznych bciążeniach cieplnych [375] Zagadnienia pjawiania się prwatści gazwej w czystym aluminium raz stpach układu Al-Cu w warunkach cyklicznych bciążeń cieplnych, w śrdku gazwym (pary wdnej) pisan również w pracach [300, 343]. Na pdstawie danych zawartych w publikacjach [300, 343, 375] A.A. Baranv [23] stwrzył prawdpdbny mechanizm ich pwstawania; główne jeg idee są następujące: Na pwierzchni zewnętrznej próbki (tłka), w wyniku reakcji aluminium z parą wdną, pwstaje tlenek aluminium raz wdór (w pstaci atmwej), zgdnie z reakcją [7, 23]: 2Al + 3H 2 O Al 2 O 3 + 6H. (5.22) Z klei magnez, w pdwyższnej temperaturze, dyfunduje z części centralnych tłka w kierunku jeg pwierzchni, gdzie reagując z Al 2 O 3 wypiera z nieg tlen: 3Mg + Al 2 O 3 3MgO + 2Al. (5.23) Usunięcie z pwierzchni tłka Mg, pprzez parwanie, twrzy stężeniwy gradient, który jest przyczyną dyfuzji następnych prcji magnezu w tym kierunku. W tym czasie wdór 79

81 atmwy przechdzi d wewnętrznych warstw tłka. Przemieszcza się n tam z dużą prędkścią i sadza w istniejących raz pwstałych w danym prcesie defektach defektach, takich jak: jamy skurczwe, pry gazwe, defekty budwy sieci krystalicznej raz puste przestrzenie p magnezie. W miejscach tych, łącząc się, twrzy wdór cząsteczkwy H 2. Prawdpdbnie mechanizm ten raz reakcje 5.22 i 5.23 wyjaśniają też dlaczeg magnez spśród różnych ddatków stpwych kazuje znaczący wpływ na rzpuszczalnść wdru w ciekłym aluminium [32]. W pdwyższnej temperaturze i przy zwiększnym ciśnieniu, wdór pwduje ekspansję defektów (jam), a tym samym wzrst bjętści stpu [23]. Zjawisk rzrstu pr gazwych tłumaczy również I.V. Gavrylin [127] twierdząc, że istnieje pewna krytyczna temperatura, w której następuje równwaga pmiędzy ciśnieniem gazu (p v ) wewnątrz metalu a jeg wytrzymałścią (R m i/lub R p0,2 ) w stanie stałym. Pwyżej tej temperatury następuje wzrst defektów struktury, w których zgrmadzny jest gaz. Zgdnie z fizycznymi prawami gazwymi, z pdwyższeniem temperatury rśnie prężnść gazu, natmiast parametry wytrzymałściwe stpu w tym samym czasie maleją; na przykład w siluminach tłkwych w temperaturze 350 C i wyższej są ne na bardz niskim pzimie [362, 393] (vide też pdpunkt ). Pdbne wyjaśnienia znaleźć mżna u I. Palmeara [326]; dntwuje n, że rzpuszczny w prcesach tpienia w ciekłym stpie aluminium wdór atmwy, adsrbwany z pary wdnej tczenia, w stanie stałym ulega rekmbinacji twrząc wdór cząsteczkwy H 2, grmadzący się w wewnętrznych pustych przestrzeniach mikrstruktury. Pd wpływem ciśnienia zgrmadzny w nich gaz mże zwiększać rzmiary tych bszarów, z uwagi na stsunkw wyską plastycznść metalu w warunkach bciążeń cieplnych (np. przy przesycaniu), c prwadzi d twrzenia niedwracalnych pwierzchniwych pęcherzy (rys. 5.11a). Analgiczne efekty pwstawania prów gazwych typu endgeniczneg na pwierzchni siluminów stpwych typu (AlSi7Mg0,4 bserwwał również autr niniejszej publikacji, w trakcie badan nad zagadnieniem krótktrwałym ultra-wysktemperaturwej bróbki cieplnej (rys. 5.11b) [84, 86]. a) b) 1 mm 2 mm Rys Efekty pwstawania przypwierzchniwych pęcherzy gazwych: a) przy wygrzewaniu i przesycaniu stpu aluminium w wilgtnej atmsferze [326]; b) w trakcie bróbki cieplnej stpu AlSi7Mg0,4 w pbliżu temperatury slidus [86] Odkształcenia relaksacyjne jak efekt działania naprężeń W materiałach źródłwych, dtyczących daneg zagadnienia, przyjął się pdział naprężeń na: pierwszeg (I), drugieg (II) i trzecieg rdzaju (III) [69, 212, 348, 479]: Naprężenia I rdzaju (zwane również cieplnymi lub makrskpwymi) są t naprężenia, które występują pmiędzy warstwami lub częściami daneg przedmitu. Pwstają ne na skutek różnicy temperatury i zmian bjętściwych w różnych miejscach 80

82 przedmitu (tłka) lub w jeg przekrju tak w prcesach wytwarzania, jak i użytkwania. Naprężenia II rdzaju (mikrskpwe) pjawiają się pmiędzy pszczególnymi fazami lub ziarnami, dlateg też nazywane są naprężeniami strukturalnymi. Przyczynami ich pwstawania są na gół różnice w fizycznych właściwściach twrzących się w stpach faz. Naprężenia III rdzaju (submikrskpwe) mają zasięg najmniejszy: d kilku kmórek sieci krystalicznej d wielkści atmwych. Ich becnść mżna zidentyfikwać na pdstawie słabienia linii rentgenwskich. Źródłem naprężeń własnych mikrskpwych II i III rdzaju są pnadt dyslkacje krawędziwe, śrubwe, granice ziaren raz wydzielenia [69]. Wielkść wewnętrznych mikrnaprężeń, przy wahaniach temperatury, mżna szacwać, wykrzystując metdę przemieszczeń terii sprężystści, na przykładzie mdelu sferycznej fazy (2) w snwie (1), jak pkazan t na rysunku Zakładając małe wielkści przemieszczeń, w dniesieniu d rzmiaru fazy (wtrącenia), przyjmuje się liniwą zależnść pmiędzy dkształceniem i naprężeniem. Rzwiązując dpwiedni układ równań, wyrażenie dla radialnej (prmieniwej) składwej mikrnaprężenia σ 2, na granicy międzyfazwej w punkcie M (rys. 5.12), przyjmuje pstać [202]: ( α1 α2 )ΔT σ 2, (5.24) 1 2μ2 1 μ1 E 2E 2 gdzie: 1, 2 liniwe współczynniki rzszerzalnści cieplnej snwy (1) i wtrącenia (2); 1, 2 dpwiedni ich współczynniki Pissna raz E 1, E 2 ich mduły sprężystści Yunga; T zakres zmian temperatury w danym punkcie (M) ciała. 1 Rys Schemat dtyczący bliczenia wielkści mikrnaprężeń w strukturze stpu zawierająceg fazy różniące się fizycznymi właściwściami, gdzie: (1) snwa; (2) faza; r 0 prmień fazy (wtrącenia); σ 1 styczne mikrnaprężenie; σ 2 radialne (prmieniwe) mikrnaprężenie [202] Wartść styczneg naprężenia na granicy faz wynsi przy tym: σ 1 = 1/2 σ 2, a maksymalneg naprężenia ścinająceg max jest równe (σ 1 σ 2 )/2 = 3/4 σ 2 [202]. Naprężenia wewnętrzne (zwane inaczej naprężeniami szczątkwymi), częściw lub całkwicie pzstające w metalu p zakńczeniu prcesów technlgicznych ich wytwarzania (dlewania, bróbki cieplnej, bróbki ubytkwej, itp.), algebraicznie sumują się z zewnętrznymi naprężeniami knstrukcyjnymi (eksplatacyjnymi) mgąc je wzmacniać lub słabiać. Minimalizacja wewnętrznych mikrnaprężeń, w warunkach cyklicznych bciążeń cieplnych, jest ważna z punktu widzenia stabilnści wymiarwej nie tylk dla mnlitycznych siluminów tłkwych, ale także i przede wszystkim dla ich kmpzytwych wariantów materiałwych [96, 162, 238]. Relaksacja t zjawisk zanikania stanu naprężeń w materiale na skutek zamiany dkształceń sprężystych (ε s ) na dpwiednie trwałe dkształcenie plastyczne (ε p ), przy nie- 81

83 zmiennej gólnej ich wielkści (ε = ε s + ε p = cnst) [103, 497]. Prcesy relaksacyjne pwdują najczęściej zmiany kształtów i wymiarów wyrbów (np. tłków) bez zmiany ich bjętści [328, 348]. Szczególnie szybk i zauważalnie zjawiska relaksacji następują w pdwyższnej temperaturze, kiedy ułatwiny jest prces dkształceń plastycznych. Im większa jest dprnść materiału na pełzanie, tym lepsza jest w tym względzie jeg stabilnść wymiarwa [345]. Szczegółwe pisanie zagadnień dtyczących naprężeń wewnętrznych raz ich relaksacji, w aspekcie stabilnści wymiarwej stpów metalwych, znaleźć mżna w pracach [202, 212, 274]. 82

84 6. Analiza warunków pracy tłków silników spalinwych raz stawiane wbec ich twrzyw wymagania ( ) Tłk t kawałek metalu, który niezbędny jest d pracy silnika wewnętrzneg spalania. I bardz dpwiednia rzecz, ażeby rzwiać pewnść siebie knstruktrów ( ) Ernst Mahle ( ) współzałżyciel niemieckiej firmy MAHLE prducenta tłków (cytat pchdzi ze źródła internetweg [504]) W pprzednim rzdziale rzpatrywane były zagadnienia dtyczące ważnych parametrów stpów tłkwych, związanych z szerk rzumianą stabilnścią wymiarwą. W rzdziale 6 natmiast zaprezentwane zstaną pzstałe isttne fizyk-mechaniczne i eksplatacyjne parametry, wynikające z rzważań gólnych warunków pracy tłków silników spalinwych (pdrzdział 6.1). W przypadku żarwytrzymałści raz zmęczeniwych właściwści, brane były pd uwagę mżliwści przyspiesznej ich ceny, c uznan za ważne z punktu widzenia czasu i ksztów badań w pracach związanych z pracwaniem (syntezą) nwych lub dsknaleniem istniejących stpów Pdstawwe funkcje, warunki pracy raz rzwiązania knstrukcyjne współczesnych tłków Tłk, będący zasadniczym elementem knstrukcyjnym silnika spalinweg, spełnia w nim szereg ważnych funkcji, związanych m.in. z: a) przekształceniem ciśnienia czynnika rbczeg w ruch układu krbw-tłkweg, b) twrzeniem szczelneg ruchmeg zamknięcia cylindra, c) prwadzeniem pierścieni tłkwych i przeniesieniem siły bcznej, d) przejmwaniem i dprwadzaniem ciepła [187, 219, 244, 310, 315, 376, 469, 472]. W silniku dwusuwwym tłk steruje pnadt wymianą ładunku mieszanki paliwwej. Z uwagi na trudne warunki dbiru i przekazywania ciepła raz znaczne bciążenia mechaniczne, w szerkim zakresie temperatury, należy n d jednej z najbardziej bciążnych części silników wewnętrzneg spalania [219, 233, 310]. Praca tłkwych silników spalinwych różneg przeznaczenia, w warunkach ich użytkwania związana jest z kresw-zmiennymi bciążeniami, c jest rezultatem pdwyższenia i bniżania w czasie ich mcy, prędkści i ciśnień [173, 233, 219, 469]. Wiadm na przykład, że pruszanie się samchdu na drdze ma zmienny charakter, uwarunkwany m.in. kresami: a) jeg rzpędzania, b) jazdy z quasi-stacjnarnym bciążeniem, c) hamwania raz d) pracy na biegu jałwym (rys. 6.1). Rys Typwe schematy jazdy samchdu sbweg, pracwane przez amerykańska agencję EPA (ang. Envirnmental Prtectin Agency), w cyklu: a) jazdy na trasie (długści 16,5 km, w ciągu 765 s, ze średnią prędkścią 77,6 km/h); b) jazdy w mieście (k. 12 km, w ciągu 1373 s, ze średnią prędkścią 38 km/h) [158] 83

85 Pkazane na rysunku 6.1 schematy jazdy samchdu dpwiadają zmiennym cieplnmechanicznym cyklm bciążeniwym silnika niskiej częsttliwści (ang. lw cycle) [233, 321], z elementami quasi-stacjnarnych (ustalnych) i niestacjnarnych (nieustalnych) kresów [52, 469]. W ramach jedneg cyklu pracy silnika spalinweg w kmrze spalania mają miejsce natmiast gwałtwne, wyskiej częsttliwści (ang. high cycle), zmiany ciśnienia i temperatury czynnika rbczeg [219, 321]. Zmiany sił gazwych i innych sił mechanicznych działających na tłk w silniku cztersuwwym w ciągu jedneg pełneg biegu pkazan przykładw na rysunku 6.2. Rys Zmiennść sił mechanicznych działających na tłk silnika cztersuwweg w funkcji kąta płżenia wykrbienia wału OWK: F g siła gazwa, F m siła bezwładnści, F k siła działająca wzdłuż si krbwdu i N siła nrmalna (bczna, wywłująca tarcie pmiędzy tłkiem i gładzią cylindra) [219, 310, 315] Dla średniej prędkści brtwej silnika (n = 3000 br/min), zmiany te zachdzą w ciągu 0,04 s, czyli 25 razy na sekundę. W czasie jedneg cyklu pracy silnika, tłk w górnej swjej części styka się bezpśredni z mieszaniną grących gazów, której chwilwe maksymalne wartści temperatury i ciśnienia zmieniają się w zależnści d typu silnika w granicach: t max C; p max 3 12 (i więcej) MPa [219, 376, 469, 472]. Ciśnienie zapłnu wtrysku w silniku wyskprężnym dchdzi d 20 MPa [24, 44, 233]. Temperatura sameg tłka jest czywiście niższa. W zależnści d zasady działania silnika spalinweg zapłnie iskrwym czy wyskprężny, jeg knstrukcji (dwusuw, cztersuw; chłdzenie: wdą czy pwietrzem) temperatura w charakterystycznych miejscach tłka mże dpwiadać zakresm: a) śrdek denka C, b) próg gniwy C, c) rwek pdpierścieniwy C, d) górna część płaszcza C, e) dlna część płaszcza C [376]. We współczesnych silnikach Diesla, z bezpśrednim wtryskiem, maksymalna temperatura tłków w bszarach prgu gniweg dchdzi d 400 C [24]. Jedncześnie bliczenia raz pmiary eksperymentalne pkazują, że zmiana temperatury w zakresie jedneg rbczeg cyklu pracy silnika w przypwierzchniwych warstwach tłka d głębkści 1 mm, nie przekracza 1 4% (tj. k C) jeg maksymalnej temperatury; znaczy t, że jest niewielka, w dniesieniu d zmiany temperatury dpwiadającej cyklwi niskiej częsttliwści [52, 80, 109, 233, 469]. Znacznie niższe d maksymalnych ciśnień gazów są również wartści średnieg użyteczneg (efektywneg) ciśnienia p e i mieszczą się ne w przedziale: 0,6 1,3 MPa (d 2,0 MPa dla silników z dładwaniem) [310, 315, 469]. Według autrów pracy [109], zmiany ciśnienia w biegu rbczym silnika nie stanwią decydująceg czynnika limitująceg trwałść i niezawdnść tłków w warunkach eksplatacji. Wartści mechanicznych i cieplnych naprężeń w tłkach są trudne d wyznaczenia na pdstawie frmalneg (matematyczneg) pisu, nie tylk z uwagi na zmienne w czasie parametry silnika w ramach jedneg rbczeg cyklu, czy nieregularne zmiany bciążeń niskiej częsttliwści w warunkach eksplatacji, ale także ze względu na różnrdne rz- 84

86 wiązania knstrukcyjne. Dlateg też najczęściej dknuje się z kniecznści pewnych uprszczeń. W specjalistycznej literaturze dtyczącej analizy stanu cieplneg i naprężeniweg elementów knstrukcyjnych silników spalinwych [109, 219, 469], wyznacza się w układzie statycznym w parciu wyjściwy parametr, jakim jest maksymalne ciśnienie p max stan mechanicznych naprężeń tłka i na tej pdstawie kreśla minimalną grubść jeg denka. Pdbnie jest w przypadku ceny stanu bciążeń cieplnych tłka [62]. W dstępnych publikacjach brak jest jednznaczneg kryterium ceny teg stanu dla elementów grupy tłkw-cylindrwej [219]. Najbardziej ważnymi, uprszcznymi, wskaźnikami stanu bciążeń cieplnych tłka, dla danych warunków pracy silnika, są: a) maksymalna temperatura tłka lub temperatura w kreślnym jeg punkcie, b) rzkład temperatury lub gradienty temperaturwe w tłku, c) średni jednstkwy strumień ciepła dprwadzany przez kreślną pwierzchnię tłka [109, 218, 219, 388]. Wykrzystywane są też niekiedy bardziej złżne wielkści kryterialne (np. K tł ), w zależnści d parametrów knstrukcyjnych raz warunków pracy silnika [109, 219]: K 0,5 0,38 0,88 tł bcśr [ Dtł/( ην p p )] [ pege( Tp/ T0 )], (6.1) gdzie: b współczynnik zależny d knstrukcji silnika (równy 2,00 dla cztersuwu lub 1,78 dla dwusuwu); c śr średnia prędkść tłka, zawierająca się najczęściej w przedziale 8 15 m/s; D tł średnica tłka; współczynnik napełnienia cylindra; p p, T p dpwiedni ciśnienie i temperatura pwietrza pd zawrem dltwym; p e średnie ciśnienie efektywne; g e jednstkwe zużycie paliwa, wynszące d 220 d 350 (max. 600) kg/(kw h); T 0 temperatura dniesienia. Maksymalne wartści współczynnika K tł wahają się d 4,2 d 10,0 i zależą d materiału raz knstrukcji (głównie spsbu chłdzenia) tłka. Na pdstawie wartści kryterium K tł mżna też szacwać maksymalną temperaturę t tł (w C)w śrdku denka [219]: t tł b' Ktł, (6.2) gdzie: b ' współczynnik uwzględniający cechy knstrukcyjne (dla tłków prstej knstrukcji ze stpów aluminium b = 0,38). Obecnie mżliwe są bardziej precyzyjne bliczenia bciążeń ciepln-mechanicznych tłka, na pszczególnych reżimach pracy silnika, z wykrzystaniem symulacji kmputerwej: na przykład metdami różnic czy elementów skńcznych [62, 109, 219, 321, 353]. Wyniki bliczeń pzwalają śledzić zmiany temperatury (rys. 6.3), a także naprężeń czy dkształceń pszczególnych punktów tłka w funkcji czasu w dniesieniu d kreślnych warunków pracy silnika. Rys Schemat cyklu bciążenia cieplneg tłka niskiej częsttliwści, charakteryzwany zmianą temperatury w jeg dwlnym punkcie, w warunkach: I biegu jałweg, II wzrstu bciążenia, III pracy przy nminalnym (maksymalnym) bciążeniu, IV dciążenia silnika [52, 80, 233, 274, 321, 353, 443] 85

87 Jak pdają autrzy pracy [109], decydujący wpływ na uszkdzenia i stany awaryjne tłków mają zmienne cykle niskiej częsttliwści (tzw. makrzmiany), charakteryzujące się znacznymi wahaniami naprężeń cieplnych i mechanicznych, w dróżnieniu d mikrzmian w warstwach pwierzchniwych w ciągu jedneg cyklu rbczeg silnika. Uważa się przy tym [397], że naprężenia cieplne w tłkach znacznie przewyższają naprężenia mechaniczne raz że mgą ne znacznie zwiększać się w prcesie eksplatacji; pnadt bydwa rdzaje tych naprężeń nakładają się na siebie [451, 469]. Wykres na rysunku 6.3 dpwiada uprszcznemu schematwi bciążeń cieplnych (charakteryzwanych temperaturą) tłków, w warunkach cyklicznych zmian parametrów pracy silnika, szczególnie niebezpiecznych w zakresie maksymalnej temperatury t max. Z typwymi zjawiskami zmęczenia cieplneg mamy d czynienia pdczas cyklu bciążeniweg w kształcie piły, kiedy t kresy statycznych bciążeń cieplnych 1p i 2p (vide rys. 6.3) dążą d zera [274]. W specjalistycznej literaturze istnieją liczne funkcjnalne zależnści wiążące zmienne stany naprężeń z trwałścią tłków. W najprstszym ujęciu, zgdnie z dkształceniw-kinetycznym kryterium trwałści przy nisk-cyklicznych bciążeniach, prces pwstawania pęknięć w tłkach mżna przedstawić w pstaci liniweg sumwania długtrwałych quasi-statycznych (d st ) i dynamicznych (zmęczeniwych d zm ) uszkdzeń [52, 109, 171]: d = d st + d zm = N c pełz / [ε pełz ] + N / N f = 1, (6.3) gdzie: N liczba cykli cieplnych d zniszczenia, przy mieszanym (statycznym i dynamicznym) rdzaju bciążenia; N f liczba cykli d uszkdzenia, przy czyst zmęczeniwym charakterze bciążeń; c uśredniny czas jedneg cyklu rbczeg; pełz średnia prędkść pełzania ( pełz = dε pełz /d, gdzie: ε pełz dkształcenie pełzania w próbie statyczneg długtrwałeg rzciągania); [ε pełz ] maksymalne (dpuszczalne) dkształcenie materiału tłka w próbie pełzania w danych warunkach. Z uwagi na ciepln-mechaniczny charakter zmęczenia materiału tłka, cenę wkładu pszczególnych czynników na N/N f w równaniu (6.3) mżna przedstawić za pmcą zależnści: 86 d zm = N / N f = i ( uszkdzenia pwstałe na skutek mechaniczneg zmęczenia, w przy- gdzie: N i / N f ) i i padku ilści N i cykli w temperaturze t i granicznej trwałści ( N / N ) + ( N / N ) + d ij, (6.4) i f i j j f j N fi ; j ( N / N ) uszkdzenia pwstałe w wyniku zmęczenia cieplneg, przy kreślnym cyklu bciążeniwym; d ij uszkdzenia pwdwane interakcją bydwu prcesów [451]. Na przestrzeni pnad stu lat rzwju silników trakcyjnych, bserwuje się stały wzrst ich mcy jednstkwych, które becnie sięgają pzimów 60 kw/l, a niekiedy i więcej [44, 219, 136, 522]. Wzrastające ciśnienie, temperatura i prędkść ruchu tłka stawiają wciąż nwe (zwiększne) wymagania względem jeg twrzywa. Należy pnadt uwzględnić zmiany zachdzące w gemetrii tłków, szczególnie silników benzynwych [54], kiedy t znacznie mniejsze masy muszą przensić większe ciepln-mechaniczne bciążenia (rys. 6.4) [44, 486, 522]. O ile w 1910 rku na 1 KM mcy silnika wyścigweg przypadał 90 g masy tłka, t w 1980 tylk 3 g [504]. Wprwadzenie w latach technlgii Mahle Ecfrm (vide rys. 6.4 d), na bazie bliczeń metdami elementów skńcznych, pzwlił bniżyć masę tłków benzynwych k. 23% [44, 524]. Klejne pklenie lekkich tłków p 2004 rku związane jest przede wszystkim j f j

88 ze zmianami knstrukcyjnymi, dtyczącymi: a) asymetrycznści płaszcza tłka wzdłuż si T T i P P (vide rys i 10.19); b) zmniejszenia, czy wręcz usunięciem materiału z bszarów małych bciążeń; c) zastswaniem głębkich wnęk w dlewie tłków raz umieszczeniem w nich wzmacniających żeberek. Zrdził t nwą serię tłków typu Evtec, lżejszych prawie 10% w prównaniu ze stsunkw już lekkimi tłkami Ecfrm [301, 524]. Pdbne zmiany w knstrukcji tłków firmy Federal-Mgul (USA), w drugiej płwie XX wieku (d 1965 d 1995 rku), zaprezentwane zstały w publikacji [486]. a) b) c) d) Rys Zmiany w knstrukcji tłków na przestrzeni lat: a) pierwszy w Eurpie seryjny tłk z lekkieg stpu, firmy Mahle (Niemcy) [524]; b) tłk silnika samchdweg prd. firmy Mahle z 1928 r. [209]; c) tłki silników wyskprężnych, firmy VEB Druckguß- und Klbenwerke (Harzgerde, Niemcy) z lat [350]; d) współczesny tłk typu Ecfrm firmy Mahle d silników benzynwych [524] Lżejsze tłki znacznie pprawiają parametry ruchwe raz gólną jakść pracy wyskbrtwych silników. Nie tylk zmniejszają wielkść inercyjnych sił działających w układzie krbwdwym, ale także przyczyniają się d mniejszeg zużycia paliwa raz graniczenia ilści gazów wydechwych pprawiając w ten spsób gólną eklgicznść pracy silnika spalinweg [524]. Pwszechne wprwadzanie w statnich latach bezpśrednieg wtrysku paliwa kmplikuje jednak niec kształt kmry spalania, c zwiększa ddatkw stan naprężeniw-dkształceniwy współczesnych tłków [44]. Od tłków wymaga się becnie, aby w pwyższych uwarunkwaniach zapewniały bezawaryjną pracę silnika spalinweg, w czasie dpwiadającym w zależnści d zastswania jeg przebiegm w granicach tys. km, a dla silników samchdów ciężarwych nawet pwyżej km [219, 445]. Spełnienie wymieninych żądań zależy przede wszystkim d dpwiednich pzimów fizykchemicznych (w tym mechanicznych) i eksplatacyjnych parametrów materiału tłka Specyfikacja wymagań stawianych w stsunku d twrzyw tłkwych Ogólną metdlgię pracwania (prjektwania, syntezy) nwych dlewniczych stpów tłkwych, spełniających kreślne wymagania eksplatacyjne przedstawin na rysunku 6.5. Kluczem d spełnienia przez tłk w silniku spalinwym wymaganych siągów są przede wszystkim dpwiednie pzimy fizyk-mechanicznych właściwści jeg materiału. Te i inne specjalne cechy twrzywa tłkweg determinuje głównie jeg mikrstruktura, która z klei jest funkcją składu chemiczneg raz parametrów i spsbów wytwarzania (np. dlewania raz bróbki cieplnej) [24, 486]. W pracach [80, 233, 234] autr niniejszeg pracwania dknał wyszczególnienia raz przeprwadził analizę ważniejszych 87

89 Rys Schemat prcesu pracwania stpu tłkweg [24, 486] fizykchemicznych (w tym także mechanicznych), eksplatacyjnych i technlgicznych właściwści twrzyw tłkwych, w kntekście warunków pracy tłków silników spalinwych. Pdbne zagadnienia były również prezentwane w publikacjach innych autrów [107, 109, 173, 219, 254, 310, 315, 376]. W punktach zaprezentwan krótką charakterystykę tych parametrów (pza mówinymi wcześniej, w rzdziale 5, parametrami stabilnści wymiarwej), które były brane bezpśredni bądź pśredni pd uwagę przy eksperymentaln-bliczeniwej syntezie bezniklwych siluminów tłkwych (rzdziały 7 11). Pśrednie parametry dtyczyły przyspiesznych cen (wielkści) dbrze krelujących z parametrami długtrwałych prób Właściwści mechaniczne Z infrmacji zawartych w pdrzdziale 6.1 wynika, że tłki silników spalinwych pracują z kresw-zmiennymi bciążeniami ciepln-mechanicznymi. W pdpunkcie rzpatrzn najczęściej stswne parametry charakteryzujące mechaniczną statyczną i dynamiczną dprnść materiału tłka w tych warunkach, wyznaczane w krótktrwałych lub długtrwałych próbach Parametry wytrzymałści, twardści i plastycznści w krótktrwałych próbach Odprnść stpu tłkweg na chwilwe quasi-statyczne bciążenia mechaniczne cenia się przede wszystkim parametrami wytrzymałści w próbie rzciągania (R m, R p0,2, E) raz twardścią (HB) w zakresie temperatury pracy tłka [376]. Twardść twrzywa tłkweg, szczególnie w pdwyższnej temperaturze, w dużym stpniu decyduje gólnej trwałści rwków pdpierścieniwych [219, 376]. Jak pkazują wyniki prac M. Röhrle [362], krótktrwałe wytrzymałściwe parametry różnrdnych ze względu na zawartść krzem (11,89 23,80%) siluminów tłkwych w temperaturze 350 C, wahają się w wąskich zakresach: R m d 60 d 85 MPa, a R p0,2 d 30 d 40 MPa. Również twardść HB w tych warunkach różni się nieznacznie i jest na relatywnie niskim pzimie: d 5 d 25 HB [356]. Z teg też względu nrmatywnie w nrmach państwwych czy zakładwych [61, 67, 91, 134, 177, 254, 376] dla stpów tłkwych wymagana kntrla parametrów R m, R p0,2 i HB w temperaturze pkjwej. Wydłużenie A 5 siluminów tłkwych w tej temperaturze (~20 C) mieści się w stsunkw niedużym przedziale wartści 0,2 1,5 (max. 2,5)%, a bserwwane zmiany są funkcją ich składu chemiczneg raz technlgii przetwarzania [362]. Inaczej jest w przypadku wysktemperaturwej (350 C) 350 C plastycznści; wielkść A jak pkazan t w pdpunkcie ma isttny wpływ 88 5

90 na dprnść twrzywa tłkweg w warunkach zmęczenia cieplneg. Mduł sprężystści Yunga E charakteryzuje z jednej strny gólną sztywnść knstrukcji tłka, z drugiej jednak wpływa na pzim pwstających w nim naprężeń cieplnych (vide pdrzdział 5.2). Wartści E w temperaturze pkjwej, dla różnych grup siluminów tłkwych, mieszczą się w stsunkw wąskim przedziale 0,8 0, MPa (dla siluminów typu eutektyczneg 0,800 0, MPa i praktycznie liniw zmniejszają się d pzimu 0,650 0, MPa w temperaturze 400 C) [362] Żarwytrzymałść jak miara długtrwałej statycznej dprnści mechanicznej w pdwyższnej temperaturze Odprnść twrzywa tłkweg na długtrwałe statyczne bciążenia w pdwyższnej temperaturze charakteryzuje zjawisk pełzania. Plega n na tym, że pd wpływem statycznych bciążeń w materiale (tłka) następuje stpniwe kumulwanie w czasie dkształceń sprężystych, ptem plastycznych, a w kńcu jeg zniszczenie wskutek pwstania mikr- i/lub makrpęknięć. Zgdnie z PN-EN 10291:2009 żarwytrzymałść, t zdlnść metali i stpów d stawiania pru dkształcenim pd wpływem przyłżnych długtrwałych (w czasie: 100, 1000, itd. gdzin) statycznych naprężeń rzciągających, ściskających czy zginających, w warunkach pdwyższnej i wyskiej temperatury. W znrmalizwanych badaniach żarwytrzymałść stpów charakteryzuje się: a) czaswą granicą pełzania R x/ /t (gdzie: x wielkść względnych trwałych dkształceń: 0,2; 0,5; 1,0 itd. %) lub b) czaswą granicą wytrzymałści na długtrwałe bciążenia R z/ /t [101, 103, 217, 470, 497]. Wyznaczenie tych parametrów wymaga stswania drgich urządzeń badawczych; pnadt są ne długtrwałe, a w knsekwencji bardz ksztwne. Wielletnie badania żarwytrzymałści stpów pkazały, że zachwania stpów w warunkach quasistatycznych bciążeń w długim hryzncie czaswym mżna prgnzwać, z kreślną dkładnścią, na pdstawie wyników przyspiesznych prób [45, 423]. Za taki przyspieszny parametr żarwytrzymałści przyjmuje się na przykład czas d zniszczenia próbki ( w gdzinach lub minutach), pddanej próbie siweg pełzania w pdwyższnej temperaturze, przy stałym naprężeniu [80, 380]. W danym przypadku znajduje zastswanie zasada cieplneg (termiczneg) i/lub mechaniczneg przyspieszenia [78]. W dniesieniu d aluminiwych twrzyw tłkwych zaprpnwany zstał szybszy i tańszy spsób wyznaczenia długtrwałej czaswej (100-gdzinnej) granicy wytrzymałści R z/100/t. Plega n na pmiarze długtrwałej (1 h) twardści na grąc (vide punkt 8.1.1) raz typwych mechanicznych właściwści wyznacznych w krótktrwałych próbach w temperaturze pkjwej; na ich pdstawie bliczana jest wartść R z/100/t na pdstawie zależnści [28, 45, 80, 107, 380, 423, , 495]: t 1,45 HB10/2452/1h Rm Rz/100/ t, (6.5) HB t gdzie: HB10/2452/1 h długtrwała (1 h) twardść na grąc (najczęściej w temperaturze t: 300 lub 350 C, pd bciążeniem 2452 N); R m i HB dpwiedni wytrzymałść na rzciąganie i twardść spsbem Brinella w temperaturze pkjwej. Związek (6.5) pracwany zstał na pdstawie matematyczn-statystycznej bróbki zgrmadznych wcześniej danych eksperymentalnych [45]. W niemałej liczbie współczesnych t publikacjach i pracwaniach (np. [28, 80, 233, 456, 458]) parametr HB sam w sbie 10/2452/1h używany jest jak przyspieszna charakterystyka żarwytrzymałści twrzyw tłkwych na snwie aluminium. 89

91 10/2452/1h Jak pkazały wcześniejsze badania autra niniejszeg pracwania [80], pmiędzy t długtrwałą (1-gdzinną) twardścią na grąc HB i czasem (w minutach) d rzerwania w przyspiesznej próbie pełzania istnieje zadwalający stpień krelacji (vide rys. 6.6). Należy mieć jednak na uwadze, że przyspieszne ceny żarwytrzymałści mają sens głównie na etapach pracwania nwych raz dsknalenia istniejących stpów. Pzwalają ne wstępnie ceniać wpływ ddatków stpwych i zanieczyszczeń, parametrów bróbki cieplnej i innych zabiegów technlgicznych (np. mdyfikacji czy rafinacji) na żarwytrzymałść stpów dla danej snwy [80, 493, 495]. D celów knstrukcyjnych bliczeń detali (w tym np. tłków) pracujących w pdwyższnej i wyskiej temperaturze zalecane jest jednakże krzystanie z wyników bezpśrednieg wyznaczenia parametrów R x/ /t i/lub R z/ /t [78]. Rys Liniwa zależnść pmiędzy czasem d zniszczenia pełz w próbie przyspieszneg pełzania (t = 350 t C i R = 45 MPa) a długtrwałą twardścią na grąc HB (temperatura t 10/2452/1 h 350 C, średnica kulki 10 mm, wielkść bciążenia 2452 N, czas bciążenia 1 h) dla 26 dświadczalnych siluminów tłkwych (pracwanie własne, na pdstawie danych pchdzących z pracy [80]) Parametry dprnści na zmęczenie ciepln-mechaniczne Odprnść twrzywa tłkweg na zmienne bciążenia charakteryzuje się z jednej strny parametrami mechanicznej nisk- i wyskcyklicznej wytrzymałści zmęczeniwej w zakresie rbczej temperatury tłka; z drugiej wskaźnikami dprnści na zmęczenie cieplne. Zmęczenie mechaniczne Zmęczenie t prces zmian występujących w twrzywie knstrukcyjnym pd wpływem kresw lub niekresw zmiennych naprężeń czy dkształceń, ujawniających się pprzez bniżenie jeg wytrzymałści, trwałści, alb zniszczenie w wyniku pękania [101]. Granicą wytrzymałści na zmęczenie Z g jest największe naprężnie cykliczne, przy którym próbki nie ulegają zniszczeniu w ciągu kreślnej liczby cykli równej pdstawie próby zmęczeniwej N g. W badaniach aluminiwych stpów tłkwych liczba cykli bciążeniwych N g wynsi d 10 5 d 10 8 [11, 24, 101, 163, 217, 263, 264, 310, 315, 376, 451, 462]. Obliczenia dla tłków ze stpów aluminium, przy zmiennych mechanicznych bciążeniach, przeprwadza się najczęściej w dniesieniu d wytrzymałści zmęczeniwej na zginanie Z g, w temperaturze z zakresu C [11, 24, 109, 396]; pwyżej 350 C wy- 90

92 trzymałść zmęczeniwa stpów aluminium spada bardz szybk [462]. W mngrafiach S. Pietrwskieg [310, 315] zauważa się jednakże, że parametr wytrzymałści zmęczeniwej Z g nie dpwiada rzeczywistemu bciążeniu tłka, w którym występują ddatkw zmienne naprężenia rzciągania, ściskania czy skręcania; nie uwzględnia też n (Z g ) mikr- i makrstrukturalnych defektów struktury tłków (w pstaci współczynników kncentracji naprężeń), zmniejszających ich realną wytrzymałść zmęczeniwą [109]. Wyznaczenie wartści liczbwych znrmalizwanych parametrów zmęczenia mechaniczneg, w zakresach temperatur dpwiadających warunkm ich pracy, w trakcie pracwywania nwych stpów jest trudne czy wręcz niemżliwe, z uwagi na długi czas pjedynczej próby, ptrzebę krzystania ze specjalistycznej aparatury, a w knsekwencji niemałe gólne kszty badań. Z analizy materiałów źródłwych [71, 109, 376, 485] wynika, że wskaźniki zmęczeniwe stpów aluminium, miedzi, stali (staliwa), a także żeliwa szareg, ciągliweg i sferidalneg wystarczając ściśle związane są z parametrami wytrzymałściwymi (R m czy R p0,2 ) w próbie jednsiweg rzciągania. W tabeli 6.1 zestawin niezbędne w tym celu dane dla siluminów tłkwych. Tabela 6.1. Średnie wartści wytrzymałści zmęczeniwej przy zginaniu Z g (w [MPa]), dla umwnej liczby cykli N g = ) raz wytrzymałści na rzciąganie R m (w [MPa]), a także ich wzajemny stsunek dla pdstawwych grup dlewniczych siluminów tłkwych w zakresie temperatury d 20 d 300 [ C] (pracwanie własne na pdstawie danych pchdzących z pracy [376]) Temperatura, [ C] G r u p a s i l u m i n u t ł k w e g kłeutektyczny nadeutektyczny wyskkrzemwy KS 1275 (AlSi12CuNiMg) KS (AlSi18CuNiMg) KS 280 (AlSi21CuNiMg) Z g R m Z g /R m Z g R m Z g /R m Z g R m Z g /R m , , , , , , , , , , , , , , ,53 Uwaga! Wytrzymałść zmęczeniwą na zginanie raz wytrzymałść na rzciąganie cenian na ddzielnie lanych i brbinych cieplnie próbkach [376]. Z wielkści liczbwych pdanych w tabeli 6.1 nietrudn zabserwwać, że większej wytrzymałści na rzciąganie (R m ) dpwiada pdwyższna wytrzymałść zmęczeniwa (Z g ); gólnie związek ten zapisać mżna t następując: Z g = (0,4 0,6) R m. (6.6) W publikacji japńskich specjalistów [208] pdana jest infrmacja, że teg typu relacja, dla temperatury z zakresu C, istnieje w dniesieniu d bezniklwych siluminów stpwych przeznacznych na tłki kute. Z pewnym przybliżeniem mżna więc załżyć, że zależnść (6.6) będzie mieć również zastswanie dla dlewniczych bezniklwych siluminów. Na wykresach a d rysunku 6.7 pkazan prównanie zmęczeniwych charakterystyk w temperaturze pkjwej, jak maksymalneg naprężenia σ max w funkcji liczby cykli N d pjawienia się pęknięcia (wykresy Wöhlera) dla niektórych amerykańskich pdeutektycznych bezniklwych siluminów tłkwych (332.0, 333.0, vide tabela 2.8), w prównaniu d kłeutektyczneg siluminu tłkweg z niklem (336.0 AlSi12Cu1- Mg1Ni2,5). Z wykresów tych wynika, że charakterystyki zmęczeniwe bezniklwych siluminów tłkwych, dlewanych d frm metalwych, w zasadzie nie dbiegają d pdbnych przebiegów dla analgicznie przetwarzanych (dlewanych) siluminów z niklem. Silnie pdeutektyczny bezniklwy silumin (vide tabela 2.9) dlewany d frm pia- 91

93 skwych, charakteryzuje się niec mniejszą dprnścią zmęczeniwą; ten sam jednak stp dlewany d kkili siąga pdbne pzimy rzważanych właściwści jak stpy: 332.0, 333.0, a także Pdwyższną dprnścią na zmęczenie mechaniczne cechuje się natmiast bezniklwy silumin tłkwy typu A384.0 (vide tabela 2.8), przeznaczny d dlewania ciśnieniweg, granicznej zawartści magnezu ( 0,1%) [197]. Również z pracy rsyjskich badaczy [63] wynika, że dprnść na zmęczenie mechaniczne bezniklweg siluminu tłkweg AK12M3Mг (AlSi12Cu3Mg1) jest nie mniejsza d dprnści znrmalizwanych siluminów tłkwych AЛ25 (AlSi12Cu2Mg1Ni1) i AЛ30 (AlSi12- Cu1Mg1Ni1) zawierający nikiel. W pracy [190] pkazan, że zarówn pdwyższna temperatura (350 C), jak też większa częsttliwść bciążeń zmniejszają wytrzymałść zmęczeniwa siluminów tłkwych. Duże wydzielenia krzemu pierwtneg w ich mikrstrukturze stanwią główne źródł inicjacji pęknięć zmęczeniwych (szczególnie dla dużeg zakresu zmian współczynnika intensywnści naprężeń ΔK), jak też wpływają na ich prpagację [190, 267, 310, 315]. W przypadku braku wydzieleń krzemu pierwtneg (stpy z mniejszą zawartścią Si), przy niskim pzimie ΔK wzrst pęknięć determinwany jest właściwściami snwy (przeważa wewnątrzdendrytyczny ich charakter), pdczas gdy przy dużym ΔK pęknięcia są typu międzydendrytyczneg i pjawiają się wzdłuż słabych granic krzemu eutektyczneg i/lub siatki związków międzymetalicznych [267]. Wytrzymałść zmęczeniwą twrzyw metalwych, w tym siluminów tłkwych, uwarunkwana jest pnadt: a) becnścią pasm pślizgu czy zbliźniakwań, b) budwą granic międzyfazwych raz c) becnścią wtrąceń i wydzieleń faz wtórnych [310, 314, 315, 393]. Według autrów publikacji [24, 445], zwiększenie w siluminach tłkwych zawartści krzemu z zakresu 9,5 10,5% d 11,0 13,0% pwduje pjawianie się w mikrstrukturze w przypadku mdyfikacji fsfrem pewnej niewielkiej ilści pierwtnych kryształów krzemu, c przyczynia się d wzrstu dprnści zmęczeniwej w temperaturze 350 C i wyższej. Zauważn jednak, że pzim Si nie pwinien znacząc przewyższać jeg eutektycznej zawartści dla układu Al-Si (~12,5%), pnieważ prwadzi t d bniżenia zmęczeniwych właściwści w niższej temperaturze [24]. Z pdbnych rzważań autr prac [310, 315] wysuwa ważną zasadę dtyczącą dbru składu chemiczneg siluminów tłkwych; wynika z niej, że pwina) b) c) d) Rys Wykresy zmęczeniwej próby zginania brtweg dla pdeutektycznych bezniklwych siluminów typu tłkweg: a) T5 (dlewany d kkili), b) T5 (dlewany d kkili) i c) T51 (dlewany w frmie piaskwej) raz dla d) kłeutektyczneg siluminu tłkweg T551 z niklem (dlewany d kkili) [197] 92

94 ny t być stpy kłeutektycznej zawartści krzemu, z minimalną ilścią faz międzymetalicznych, takich jak: T(AlCuNi), AlSiFe, AlSi(FeMn), (Al 2 Cu) czy (Mg 2 Si) jednak niezbędną, dla umacniająceg działania przy statycznych bciążeniach. Zmęczenie cieplne Zmęczeniem cieplnym nazwa się prces niszczenia metali pd wpływem wielkrtnych zmian temperatury, wywłujących naprzemienne kurczenie i rzszerzanie się daneg elementu, w wyniku czeg pjawiają się w nim zmienne c d znaku i wartści naprężenia [75]. Naprężenia cieplne sumują się w tłkach z naprężeniami mechanicznymi. Najbardziej narażnym miejscem na teg typu bciążenia jest denk tłka [310, 315]. D ceny trwałści tłków brane są pd uwagę przede wszystkim zmienne cieplne naprężenia niskiej częsttliwści [109, 321]; zmiany temperatury denka tłka w jednym cyklu rbczym silnika spalinweg (wyskiej częsttliwści) są bwiem niewielkie (vide pdrzdział 6.1). Obliczenia numeryczne stanu rbczeg tłków silników spalinwych raz eksperymentalne pmiary pkazują, że maksymalne wartści niskcyklicznych naprężeń cieplnych, pwstające przy zmianach reżimów pracy silnika, są 3 4 razy większe d największych naprężeń mechanicznych pwdwanych ciśnieniem gazów rbczych [109]. Jakściw-ilściwą cenę dprnści materiałów na zmęczenie cieplne dają zależnści i/lub wykresy (rys. 6.8), typu: t max. = f(n f ), t śr = f(n f ) czy = f(n f ) [109, 274, 451]. Rys Typwy schemat ceny zmęczenia cieplneg stpów: t max maksymalna temperatura cyklu cieplneg; t śr średnia [(t max + t min )/2] temperatura; zakres względneg dkształcenia w jednym cyklu bciążeniwym Związek pmiędzy liczbą cykli d zniszczenia N f a wielkścią plastyczneg dkształcenia p przypadająceg na jeden cykl bciążeń cieplnych małej częsttliwści, wyraża wykładnicza zależnść Mansna-Cffina [109, 171, 207, 274, 451]: Δε N C C1 p f 2, (6.7) gdzie: C 1 i C 2 stałe materiałwe; dla dstatecznie plastycznych twrzyw: C 1 = 0,5 raz C 2 = 0,5Ψ, gdzie: Ψ = ln [1/(1 Z]; Z współczynnik pprzeczneg przewężenia w próbie rzciągania. Nierzadk w wyrażeniu (6.7) prócz składwej plastycznych dkształceń p uwzględnia się także zakres dkształceń sprężystych s, a wtedy: = s + p. L.F. Cffin raz S.S. Mansn zaprpnwali także inne empiryczne zależnści typu (6.7) dla niskcyklicznych bciążeń ciepln-mechanicznych, w których C 1 przyjmuje pewne stałe wartści liczbwe, natmiast C 2 jest prstą bądź złżną funkcją mechanicznych właściwści (R m, R p0,2, Z g, E, A 5, Z) [171, 274]. Wyznaczenie charakterystyk zmęczenia cieplneg w pstaci wykresów, jak na rysunku 6.8, związane jest z kreślnymi trudnściami natury metdlgicznej i aparaturwej. Również eksplatacyjne czy stanwiskwe badania zmęczenia 93

95 cieplneg twrzyw tłkwych są długtrwałe i ksztwne. M. Röhrle [362] zaprpnwał na przykład testwanie siluminów tłkwych, ze względu na zmęczenie cieplne, na specjalnym urządzeniu, w którym eksperymentalna próbka naśladwała górną część (krnę) tłka silnika wyskprężneg z strymi krawędziami kmry spalania. Wynikiem dświadczenia była ilść cykli (N 0 ) d pjawienia się pęknięcia, przy kreślnym schemacie pjedynczeg bciążenia cieplneg (d 150 d 350 C, w czasie 120 s). Rezultaty statystycznej bróbki danych liczbwych (pchdzących z pracy [362]), dtyczących pszukiwania związku pmiędzy N 0 a mechanicznymi właściwściami raz pewnymi wielkściami kryterialnymi, dla siluminów tłkwych zawartściach krzemu d 11,80 d 24,41%, przeznacznych d dlewania raz przeróbki plastycznej zaprezentwane zstały w tabeli 6.2. Tabela 6.2. Współczynniki krelacji pmiędzy dprnścią na pękanie (w warunkach zmiennych bciążeń cieplnych) a właściwściami mechanicznymi raz niektórymi wielkściami kryterialnymi [80] 94 Temperatura, [ C] Współczynnik krelacji 1) dla parametrów R m R p0,2 A 5 α E Rm Rp K nc K I K λ K 0,2 A K II nc K 5 III K nc nc 0,697 2) 0,439 0,720 0,431 0,687 0,577 0,538 0,600 3) 0,317 0,433 0,716 0,600 0,567 0,400 0,835 0,472 0,547 0,481 0,758 0,577 0,511 0,733 0,133 0,408 0,650 0,760 0,583 0,408 0,280 0,000 0,758 0,472 0,537 0,000 0,695 0,283 0,000 0,867 0,616 0,650 0,000 0,750 0,165 0,000 0,775 0,483 0,297 0,000 0,786 0,183 0,000 0,917 0,650 0,550 0,000 0,917 1) wykrzystywan współczynnik krelacji rangwej Spearmana, z uwagi na ilściw-jakściwy charakter danych zmęczeniwych pchdzących z pracy M. Röhrle [362]; 2) wartści współczynnika krelacji dla wszystkich (dlewniczych raz przeznacznych d przeróbki plastycznej) badanych przez M. Röhrle siluminów tłkwych; 3) wartści współczynnika krelacji tylk dla dlewniczych siluminów tłkwych Z wartści współczynników krelacji zamieszcznych w tabeli 6.2 wynika, że dprnść na pękanie w dużym stpniu zależy d sameg pzimu naprężeń cieplnych (K nc ), będących funkcją (przy kreślnym schemacie cieplneg bciążenia) fizycznych właściwści materiału tłka, a także i przede wszystkim jeg właściwści plastycznych w pdwyższnej temperaturze. Według autrów pracy [501], zastswanie mdyfikacji siluminu tłkweg S2N (typu L-Ex) zaprawą AlTi5B1, c jak wiadm sprzyja zwiększeniu jeg plastycznych właściwści, plepszył 10 15% jeg dprnść na zmęczenie cieplne. Niec dmienna bróbka matematyczna danych M. Röhrle [362], pzwliła zaprpnwać funkcjnalną zależnść (6.8), wiążącą N 0 z wydłużeniem względnym A 5 (w temperaturze 350 C): 350 C 1,41 N0 11,8 ( A5 ), (6.8) stpniu krelacji równym 0,895 [422]. Pprawnść twierdzenia, że dprnść na zmęczenie cieplne bezniklwych siluminów tłkwych w isttnym stpniu zależy d wysktemperaturweg wydłużenia względneg sprawdzan eksperymentalnie w pracy [371], c dntwan również w publikacji [52]. 350 C Wynika stąd, że A5 mże służyć jak przyspieszny wskaźnik dprnści na zmęczenie cieplne przy pszukiwaniu nwych lub dpracwaniu istniejących siluminów tłkwych. Jednakże w bliczeniach trwałści tłków, wyknanych ze znanych twrzyw, nie pwinien n zastępwać klasycznych parametrów, wynikających z zależnści 6.7 lub jej pkrewnych [78].

96 Pzstałe właściwści fizykchemiczne raz technlgiczne W rzdziale 5 sprecyzwan i pisan parametry twrzyw tłkwych charakteryzujące ich dwracalne i niedwracalne zmiany wymiarwe w warunkach bciążeń cieplnych. W punkcie zanalizwan z klei ich ważniejsze mechaniczne właściwści w pkjwej raz w pdwyższnej temperaturze. W tej części pracwania (punkt 6.2.2) rzpatrzne zstaną natmiast pzstałe ważne fizykchemiczne i technlgiczne właściwści, w aspekcie ewentualneg ich uwzględnienia w planwanych eksperymentach. Gęstść stpu tłkweg ma isttny wpływ na wielkści sił maswych pjawiających się w pracującym silniku spalinwym [219]. Analiza dstępnych w tym względzie materiałów źródłwych pkazuje, że różnice w gęstściach (ρ) pszczególnych grup siluminów tłkwych nie są duże i mieszczą się w granicach 2,65 2,75 g/cm 3 ; przy tym siluminy pdeutektyczne mają k. 0,05 g/cm 3 większą gęstść w dniesieniu d gęstści siluminów kłeutektycznych [356]. Nieznaczne są też różnice w danej charakterystyce pmiędzy bezniklwymi siluminami tłkwymi a tymi z niklem [234]. Przewdnść cieplna ( ) materiału tłka decyduje szybkści dprwadzania ciepła i wyrównywaniu temperatury w pracującym tłku. Większe wartści sprzyjają mniejszym gradientm temperaturwym. Przewdnść cieplna ma też bezpśredni wpływ na pzim naprężeń cieplnych w danej temperaturze, w warunkach ściskania zgdnie z kryterialnymi wielkściami (5.13). Współczynnik przewdnści cieplnej różnrdnych siluminów tłkwych w temperaturze pkjwej waha się w przedziale d 125 d 165 W/(m K), przy czym wzrst temperatury 100 C pwduje zwiększenie wartści 3 4 W/(m K) [356, 362]. Istnieje pewna tendencja chciaż nie jest t ścisłą regułą pkazująca, że siluminy z mniejszą zawartścią krzemu charakteryzują się większą przewdnścią cieplną. Inne ddatki stpwe w aluminium isttnie wpływają na współczynnik w bszarach niskiej temperatury; w wyskiej t ddziaływanie jest mniejsze [342]. Na pdstawie tych infrmacji mżna w pierwszym przybliżeniu załżyć, iż przewdnść cieplna bezniklwych siluminów nie pwinna znacząc różnić się d przewdnści znrmalizwanych siluminów tłkwych z niklem [234]. Z ptrzeby minimalizacji bciążeń cieplnych tłków wysuwane są niekiedy (np. w [293]) wymagania względem pjemnści cieplnej (C V ) ich twrzywa, której wartść pwinna być mżliwie duża. Przy dbrze materiału tłka pwinny być brane pnadt pd uwagę takie ich właściwści, jak: dprnść na krzję, dbre parametry cierne raz mały współczynnik tarcia w parze z materiałem tulei cylindrwej. Stpy aluminium, w tym siluminy stpwe, przewyższają pd względem antykrzyjnych właściwści żeliw, ale ustępują mu jeżeli chdzi tryblgiczne cechy [219]. Według chińskich specjalistów [471], dprnść na zużycie (ścieranie) stpów układu Al-Si ulega plepszeniu wraz ze wzrstem zawartści krzemu d wartści bliskiej eutektycznej (~12,5%); przy tej ilści Si najlepsza jest też dprnść siluminów na zatarcia (ang. seizure resistance). Odlewnicze twrzywa tłkwe pwinny być również technlgiczne; łatwść wytwarzania przekłada się też na eknmiczne wskaźniki prdukcji tłków. Obecnie istnieje na świecie tendencja c dntwan już w pdrzdziale 1.1 d stswania, gdy tylk t mżliwe, siluminów kłeutektycznej zawartści krzemu. Teg typu stpy, dpwiedni niskiej rzszerzalnści cieplnej (pdbnej jak u nadeutektycznych siluminów tłkwych), zawierają zwiększne zawartści miedzi i niklu raz innych przejściwych pierwiastków blku d układu kresweg; psiadają ne nie tylk dbre właściwści dlewnicze, ale też zadwalającą zdlnść d bróbki ubytkwej. Nadeutektyczne siluminy mają 95

97 natmiast nie tylk grsze w stsunku d pd- i kłeutektycznych siluminów parametry lejne, bróbcze i te związane z wykańczającą bróbką (galwaniczną lub chemiczną) [219, 376]; sprawiają ne również pważne prblemy metalurgiczn-dlewnicze, plegające na uzyskiwaniu pprawnej i pwtarzalnej mikrstruktury, szczególnie jeżeli chdzi dpwiednią jakść wydzieleń krzemu pierwtneg, tj. dstateczny stpień jeg rzdrbnienia raz równmierny rzkład w mikrstrukturze [44, 95, 241]. Pdbneg typu uwagi zgłaszane były przez przedstawicieli największeg w Plsce prducenta tłków, firmę Federal-Mgul Grzyce S.A. Z teg też względu badania eksperymentalne, pisane w rzdziałach 9 11, ukierunkwane zstały na pszukiwania pd- i kłeutektycznych bezniklwych siluminów tłkwych Kmplekswe wskaźniki jakści twrzyw tłkwych Przy wstępnym dbrze materiału tłka ważne są nie tylk pszczególne jeg fizykchemiczne właściwści, ale również kmplekswe kryteria w temperaturze rbczej [80, 109, 170, 182, 388, 439, 500]. W warunkach jednakwych bciążeń silnika spalinweg, pzim naprężeń cieplnych w tłkach mże być charakteryzwany, czym już wspminan, za pmcą kmpleksu fizycznych parametrów materiału, ujętych w kryterialnym wyrażeniu (5.13) dla K nc. Odprnść twrzywa tłkweg na statyczne naprężenia cieplne zależna jest w głównej mierze d ich wytrzymałściwych właściwści w pdwyższnej temperaturze (takich jak: R m, R p0,2, R z/100/t ) raz pewnych kryterialnych wielkści np. K I czy K II, jak pkazan t w tabeli 6.3. Tabela 6.3. Pdstawwe fizyk-mechaniczne właściwści raz wybrane kryteria trwałści i niezawdnści dla pdstawwych grup dlewniczych stpów mżliwych d zastswania na tłki silników spalinwych (pracwanie własne, na pdstawie danych pchdzących z prac [80, 182, 254, 275, 439]) Parametry i kryteria: znaczenia raz jednstki miary G r u p a m a t e r i a ł u t ł k w e g Stpy aluminium Stpy układu Al-Si Żeliw sferidalne kłeutektyczne nadeutektyczne wyskkrzemwe Stpy układu Al-Cu Żeliw stpwe Stpy ż elaza Żeliw z wermikularnym grafitem Staliw Stpy magnezu Temperatura t Współczynnik rzszerzalnści cieplnej 1) α Stpy tytanu 21,0 19,0 18,0 23,5 14,0 14,5 15,0 12,7 26,5 10,0 Przewdnść cieplna λ Mduł sprężystści Yunga E Współczynnik Pissna μ 0,30 0,30 0,31 0,31 0,25 0,25 0,25 0,26 0,35 0,36 Wytrzymałść na rzciąganie R m Wydłużenie względne A 5 4,0 3,0 2,0 10,0 2,5 5,0 8,5 11,0 13,0 15,5 Czaswa wytrzymałść na pełzanie R z/100/t 47, , Kryterium naprężeń cieplnych K nc = E / [ (1 μ)] Kryterium wytrzymałści cieplnej K I = R m / K nc Kryterium czaswej wytrzymałści cieplnej K II = R z/100/t / K nc Kryterium czaswej wytrzymałści cieplnej i dprnści na zmęczenie cieplne K III = K II A 5 1) pdane wartści liczbwe dtyczą liniweg współczynnika rzszerzalnści cieplnej dla zakresu temperatury C; 2) dpwiednie wartści kryteriów K nc, K I, K II, K III bliczan na pdstawie pdanych zależnści, a zatem sprwadzan d najbliższych liczb całkwitych [182] 96

98 Wielkść kryterialna K II uważana jest [182] za bardz ważną (wręcz prirytetwą), szczególnie przy prównaniach stpów tłkwych na tej samej snwie [182]. Jak pkazan t w pdrzdziale 6.1, typwe uszkdzenia w tłkach silników spalinwych stanwią najczęściej wynik wzajemneg ddziaływania statycznych i dynamicznych naprężeń cieplnmechanicznych; te klicznści sprawiają, że zaprpnwany zstał [170] drębny jakściwy wskaźnik dprnści materiału tłkweg w pstaci kryterium K III. W tabeli 6.3 zestawin ważniejsze fizyk-mechaniczne właściwści (dla umwnie przyjętej rbczej temperatury), pzwalające bliczyć wartści liczbwe rzpatrywanych wyżej jakściw ilściwych kryteriów trwałści i niezawdnści, w zależnści d wybranej snwy materiału tłkweg. Ja wynika z uzyskanych danych (vide tabela 6.3), pzim naprężeń cieplnych, cenianych wartściami liczbwymi kryterium K nc, w tłkach na snwie aluminium jest d 4 d 6 razy mniejszy w prównaniu z tłkami żeliwnymi czy staliwnymi. Okłeutektyczne siluminy charakteryzują się dbrym płączeniem fizycznych właściwści, c w knsekwencji przekłada się na stsunkw niski pzim naprężeń cieplnych K nc ; psiadają też ne najlepsze, spśród stpów układu Al-Si, wartści dla kryteriów K I i K III, a pzim K II jest tylk nieznacznie niższy w dniesieniu d nadeutektycznych i wyskkrzemwych siluminów Nrmatywne wymagania W trakcie pracwywania bezniklwych siluminów tłkwych stawiane wbec nich wymagania mgą mieć biektywny raz subiektywny charakter. Zbiektywizwany rdzaj wymagań będzie wynikał z załżenia, że bezniklwe siluminy wykrzystywane d prdukcji tłków winny psiadać pdbne właściwści d tych, które mają znrmalizwane siluminy zawierające nikiel. Wzrcem takim mże być pwszechnie stswany w kraju silumin tłkwy typu AK12 (według symbliki nieaktualnej już nrmy PN-76/H-88027), becnie znaczany jak EN AC (EN AC-AlSi12CuNiMg) zgdnie z PN-EN 1706:2001. Punktem dniesienia mgą być też zagraniczne dpwiedniki stpu AK12, takie jak: Mahle124 i KS1275 (Niemcy), A-S12UNG (Francja), AC 8A (Japnia), AЛ30 (Rsja), a pnadt dstępne infrmacje literaturwe bezniklwych stpach układu Al-Si stswanych na świecie na tłki silników spalinwych (vide pdrzdział 2.3). Subiektywny charakter wymagań wynikał natmiast będzie z wiedzy i dświadczenie badająceg. Należy w tym miejscu pdkreślić, że nrma silnikwa PN-81/S [322] w punkcie 2.2 dpuszczała p uzgdnieniu z wytwórcą dlewów tłków stswanie innych, niż wymieniała t nrma materiałwa PN-76/H [327], gatunków stpów. Warunkami dpuszczającymi były głównie wymagania dtyczące mechanicznych właściwści (R m, R p0,2, A 5 i HB) w temperaturze pkjwej. Tabela 6.4 zawiera zbircze zestawienie standardwych wymagań, wg nrm materiałwych i silnikwych [322, 323, 327], dtyczących stpu tłkweg typu AK12 z niklem raz jeg dpwiednika wg EN AC (EN AC- AlSi12CuNiMg). Prównanie składów chemicznych bydwu stpów pkazuje (vide tabela 6.4), że stp AK12 wpisuje się w zakresy zawartści ddatków stpwych i zanieczyszczeń stpu EN AC-AlSi12CuNiMg. W dróżnieniu d wcześniej bwiązującej nrmy (PN-76/H-88027), aktualna eurpejska jej wersja (PN-EN 1706: 2001) uwzględnia tylk jeden rdzaj siluminu dlewniczeg z przeznaczeniem na tłki silników spalinwych; brak jest w niej przedstawiciela nadeutektycznej zawartści krzemu [dawneg stpu gatunku AK20 (Al- Si13Mg1CuNi)]. Oznacza t, że większą swbdę mają w tym względzie prducenci silników raz wytwórcy tłków, stsując własne firmwe (zakładwe czy krpracyjne) nrmy. Dtyczy t również mżliwści zastswań szczędnściwych (w tym bez- 97

99 niklwych) wariantów siluminów tłkwych. Analiza materiałów źródłwych [7, 67, 155, 177, 197, 203, 254, 310, 315, 340, 376, 422] pkazuje, że pdstawwe mechaniczne, fizykchemiczne raz technlgiczne właściwści stpu AK12 czy EN AC (EN AC- AlSi12CuNiMg) w zasadzie nie dbiegają d analgicznych wielkści dla jeg zagranicznych ekwiwalentów. W tabeli 6.5 pdan pnadt inne fizykchemiczne i technlgiczne wymagania dtyczące stpu EN AC Wartści liczbwe wybranych właściwści dla stpów AK12 i EN AC-AlSi12CuNiMg, zamieszczne w tabelach 6.4 i 6.5, będą brane pd uwagę przy kreśleniu granicznych (prgwych) wartści, niezbędnych w prcesie ptymalizacji bezniklwych siluminów tłkwych (vide punkt 9.3.1, tabela 9.4). 98

100 Tabela 6.4. Wymagania dtyczące składu chemiczneg raz pdstawwych właściwści mechanicznych znrmalizwanych, kłeutektycznych silumi nów tłkwych typu AK12 (wg PN-76/H raz PN-81/S [322]) raz EN AC-AlSi12CuNiMg (wg EN-PN 1706:2001) z niklem, dla kreśl nych stanów bróbki cieplnej Oznaczenie stpu S k ł a d c h e m i c z n y, [% wag.] Stan Na pdstawie bróbki Numeryczne Si Cu Mg Ni Mn Fe symblu chemiczneg cieplnej 1) Rm, [MPa] min. AK12 PN-AlSi13Mg1CuNi 11,5 13,5 0,8 1,5 0,8 1,5 0,8 1,3 0,20 0,80 W ł a ściwści mechaniczne Rp0,2, [MPa] min. A5 2), [%] min. HB 3), min. td 200 / 160 4) 0,5 95 5) (90 6) ) tb 220 / 180 4) 0,5 95 5) (90 6) ) EN AC EN AC-AlSi12CuNiMg 10,5 13,5 0,8 1,5 0,8 1,5 0,7 1,3 0,35 0,80 T5 200 / 185 / < 1,0 90 7) T6 280 / 240 / < 1, ) 1) td, T5 sztuczne starzenie, tb, T6 przesycanie + sztuczne starzenie; 2) wydłużenie względne w nrmie eurpejskiej PN-EN 1706:2001 znaczane jest jak A50 mm; 3) twardść spsbem Brinella znaczana jest w PN-EN 1706:2001 jak HBS; 4) wytrzymałści Rm, Rp0,2: w liczniku dtyczą próbek ddzielnie lanych, w mianwniku wyciętych z tłka; 5) twardść HB zgdnie z PN-76/H ; 6) twardść HB zgdnie z PN-81/S [322]; 5) twardść HBS zgdnie z EN-PN 1706:2001 Tabela 6.5. Jakściw-ilściwe technlgiczne (dlewnicze i bróbcze), mechaniczne, fizyczne raz inne charakterystyki aluminiweg stpu EN AC (EN AC-AlSi12CuNiMg), zgdnie z PN-EN 1706:2001 Zalecane metdy dlewania Wł a ś ciwś ci dlewnicze Wł a ś ciwś ci bróbcze Odlewanie d frm piaskwych Odlewanie d frm trwałych (kkil) Odlewanie pd ciśnieniem Odlewanie precyzyjne Lejnść Odprnść na pwstawanie pęknięć na grąc Szczelnść W stanie lanym A A A B P bróbce cieplnej Wytrzymałść w temperaturze pkjwej W ł a ś ciwś ci mechaniczne * W ł a ś ciwś ci fizyczne Inne wł a ś ciwś ci Wytrzymałść w pdwyższnej temperaturze (200 C) Plastycznść (dprnść na szki cieplne) Wytrzymałść zmęczeniwa [MPa] Współczynnik rzszerzalnści cieplnej [K -1 ] K Przewdnść elektryczna [MS/m] Przewdnść cieplna [W/m K] Oprnść na krzję Zdlnść d twrzenia pwłki andwej Zdlnść d spawania A A D C E A C Zdlnść d plerwania wskazuje na najczęściej stswany spsób dlewania stpu; cena właściwści: A dsknała, B dbra, C zadwalająca, D mał zadwalająca, E niezadwalająca, F niedpwiednia; * mechaniczne właściwści wyznaczne na ddzielnie dlewanych próbkach d frm metalwych (kkili)

101 7. Prgram eksperymentalnych badań raz jeg realizacja Zgdnie z dknanym w rzdziale 2 zestawieniem (vide tabela 2.8), bezniklwe siluminy tłkwe stanwią twrzywa metalwe układu Al-Si-Cu-Mg-(Mn)-(Fe)-(Zn), gdzie w nawiasach pdan pierwiastki mgące występwać w charakterze tak pżądanych ddatków stpwych, jak też zanieczyszczeń. Przeprwadzna z klei w pdrzdziale 3.2 fizykchemiczna raz eknmiczna analiza pkazała, że w zasadzie jedynym ptencjalnym zamiennikiem deficytweg i drgieg niklu mże być mangan. Inny cenny, ze względu na szereg właściwści, pierwiastek chrm, jest jednak zbyt drgi i dlateg też jeg wykrzystanie w charakterze zamiennika niklu uważać należy za nieracjnalne. Z analizy danych tabeli 2.8 wynika pnadt, że w znanych bezniklwych siluminach prdukwanych na bazie surwców wtórnych dpuszczalne zawartści żelaza i cynku sięgają pzimów (dpwiedni): 1,3 i 3,0%. W części eksperymentalnej pracy pstanwin badać bezniklwe siluminy tłkwe układu Al-Si-Cu-Mg-Mn-Fe z wykrzystaniem matematycznych metd planwania dświadczeń, natmiast wpływ cynku w układzie klasycznym Matematyczny plan dświadczeń dla stpów układu Al-Si-Cu-Mg-Mn-Fe Zastswanie metdyki planwania dświadczeń, w dniesieniu d złżnych biektów jakimi są stpy układu Al-Si-Cu-Mg-Mn-Fe, pdyktwane był następującymi względami: a) mżliwścią uzyskiwania maksimum infrmacji, przy minimalnej liczbie eksperymentów, a zatem mżliwie niskich nakładach prgramu badawczeg; b) trzymywaniem najlepszych (czy najdkładniejszych) cen współczynników mdeli matematycznych (równań regresji), wynikających z pewnych wyjściwych przesłanek budwy planu (stąd tzw. A, D, E, G czy Q ptymalne plany dświadczeń [273, 325, 324]). W dniesieniu d elementów składu chemiczneg, stanwiących wielkści wejściwe biektu badań (pracwywaneg bezniklweg siluminu tłkweg), przyjęt na pdstawie wcześniejszych analiz (rzdziały 1 5) następujące załżenia prjektwe: zawęża się zakres zawartści krzemu d bszarów pd- i kłeutektycznych dla układu Al-Si; z przyczyn eknmicznych zawartść miedzi nie mże być większa niż 3,5%; mangan, w ilściach d 1,0%, nie pwinien isttnie pgarszać lejnści; żelaz stanwić mże pżądany ddatek stpwy, szczególnie z uwagi na próbę pracwania bezniklwych wariantów siluminów tłkwych na bazie surwców wtórnych; cynk należy w zasadzie uważać za typwe zanieczyszczenie w rzpatrywanej grupie siluminów; różne mgą być tylk jeg dpuszczalne zawartści. D badań stpów układu Al-Si-Cu-Mg-Mn-Fe wytypwan sprawdzny wcześniej [80, 233] rtgnalny, kmpzycyjny, D-ptymalny plan Westlake a (PS/DS-P: We 5 ) (vide tabela 7.1). Żaden z kmpzycyjnych planów pakietu STATISTICA PL nie był na tyle interesujący, głównie z punktu widzenia ilści wymaganych dświadczeń, ażeby mżna był g wykrzystać. 100

102 Tabela 7.1. Plan dświadczeń Westlake a PS/DS-P:We 5, dla pięciu (i = 5) wielkści wejściwych X i : 1; 0; +1 [324, 432] Nr dświadczenia (wytpu) Kdwane wartś ci czynników badanych Rzeczywiste wartści 1) 2) czynników badanych X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 Si Cu Mg Mn Fe ,5 / 8,56 1,5 / 1,48 0,5 / 0,51 0,9 / 0, 91 1,1 / 1, ,5 / 12,36 1,5 / 1,52 0,5 / 0,52 0,3 / 0,28 1,1 / 0, ,5/ 8,32 1,5 / 1,48 1,5 / 1,47 0,3 / 0,27 1,1 / 0, ,5 / 12,87 1,5 / 1,52 1,5 / 1,55 0,9 / 0,91 1,1 / 0, ,5 / 8,54 3,5 / 3,46 0,5 / 0,54 0,9 / 0,94 0,3 / 0, ,5 / 12,32 3,5 / 3,50 0,5 / 0,54 0,3 / 0,28 0,3 / 0, ,5 / 8,55 3,5 / 3,40 1,5 / 1,46 0,30 / 0,27 0,3 / 0, ,5 / 12,85 3,5 / 3,60 1,5 / 1,55 0,9 / 0,92 0,3 / 0, ,5 / 8,46 3,5 / 3,47 0,5 / 0,53 0,3 /0,28 1,1 / 0, ,5 / 12,72 3,5 / 3,59 0,5 / 0,54 0,9 / 0,94 1,1 / 1, ,5 / 8,66 3,5 / 3,47 1,5 / 1,52 0,9 / 0,91 1,1 / 1, ,5 / 12,49 3,5 / 3,65 1,5 / 1,57 0,3 / 0,27 1,1 / 1, ,5 / 8,53 2,5 / 2,54 1,0 / 1,11 0,6 / 0,55 0,7 / 0, ,5 / 12,77 2,5 / 2,51 1,0 / 1,12 0,6 / 0,55 0,7 / 0, ,5 / 10,31 1,5 / 1,55 1,0 / 1,12 0,6 / 0,55 0,7 / 0, ,5 / 10,43 3,5 / 3,50 1,0 / 1,10 0,6 / 0,53 0,7 / 0, ,5 / 10,55 2,5 / 2,53 0,5 / 0,54 0,6 / 0,56 0,7 / 0, ,5 / 10,56 2,5 / 2,56 1,5 / 1,55 0,6 / 0,54 0,7 / 0, ,5 / 10,54 2,5 / 2,55 1,0 / 1,12 0,3 / 0,27 0,7 / 0, ,5 / 10,48 2,5 / 2,60 1,0 / 1,11 0,9 / 0,90 0,7 / 0, ,5 / 10,50 2,5 / 2,54 1,0 / 1,12 0,6 / 0,54 0,3 / 0, ,5 / 10,25 2,5 / 2,49 1,0 / 1,08 0,6 / 0,53 1,1 / 0, ,5 / 10,31 2,5 / 2,55 1,0 / 1,11 0,6 / 0,53 0,7 / 0, ,5 / 10,45 2,5 / 2,57 1,0 / 1,12 0,6 / 0,52 0,7 / 0, ,5 / 10,35 2,5 / 2,53 1,0 / 1,11 0,6 / 0,52 0,7 /0,68 1) rzeczywiste wartści zawartści pszczególnych ddatków (w % wag.), zgdnie z planem dświadczeń (w liczniku) raz na pdstawie wyników spektrmetrycznej analizy chemicznej (w mianwniku) wyknanej w IMN OML w Skawinie; 2) pzstałe Al + nikiel (w ilściach d 0,002 d 0,008% wag.) raz inne (Cr, V, Ti, Zr, Na, Sr, Li, Ca, P, Sn Sb, Pb i Zn) zanieczyszczenia nieznacznych zawartściach na pzimie 0,001 0,01% wag. Pdczas typweg statystyczneg pracwywania wyników badań zgdnie z planem dświadczeń, wymagana jest znajmść dyspersji pjedynczeg eksperymentu, w celu ceny isttnści pszczególnych współczynników mdelu matematyczneg, a zatem sprawdzenia jeg adekwatnści. W tym celu, w teg typu schematach, przewiduje się zazwyczaj wyknanie w tzw. jądrze (centrum) planu kilku pwtórznych dświadczeń (wytpów Nr 23, 24 i 25 jak w tabeli 7.1). Wykrzystując jednak współczesne kmputerwe mżliwści bróbki eksperymentalnych danych, np. za pmcą pakietu Regresja wielkrtna prgramu STATISTICA PL, wyniki dświadczeń Nr 23, 24 i 25 uśrednian, a współczynniki aprksymujących wielmianów wyznaczan na drdze zastswania metd wielwymiarwej analizy regresji. Isttnść współczynników weryfikwana była za pmcą testu t Studenta, natmiast adekwatnść pracwaneg mdelu (w gólnym przypadku, w pstaci równania regresji 2-g stpnia) na pdstawie testu F Fishera- Snedecra, pwiązaneg m.in. ze współczynnikiem determinacji R 2 [100, 415] Charakterystyka prównawczych siluminów tłkwych z niklem W celach kntrlnych i prównawczych, jak stpy dniesienia przy prjektwaniu (syntezie) nwych bezniklwych siluminów, w badaniach eksperymentalnych pstanwin wykrzystać dwa kłeutektyczne siluminy tłkwe z niklem: a) Nr 26 dp- 101

103 wiadający znrmalizwanemu siluminwi tłkwemu EN AC (typu AK12), zgdnie z PN-EN 1706:2001, przygtwany z materiałów wsadwych (vide tabela 7.4) tak jak eksperymentalne bezniklwe stpy raz b) Nr 27 z gąski przemysłwej zawartści k. 2% Cu. Ten statni stp stanwi dpwiednik amerykańskieg siluminu tłkweg SAE 339 (AlSi12Cu2Mg1Ni1) [364, 405, 498, 536] raz rsyjskieg AЛ25 (AK12M2MгH) [74, 134, 422, 498]. Zakładane raz znaczne spektrmetrycznie składy chemiczne dświadczalnych stpów dniesienia z niklem (Nr 26 i 27) pdan w tabeli 7.2. Tabela 7.2. Okłeutektyczne stpy tłkwe typu AK12 z niklem, jak stpy dniesienia dla eksperymentalnych bezniklwych siluminów [234] Nr dświadczenia (wytpu) Zakładane (teretyczne) pzimy wartści czynników badanych Skł ad chemiczny stpów 1), [% wag.] Oznaczne na drdze analizy spektrmetrycznej pzimy wartści czynników badanych Si Cu Mg Ni Mn Fe Zn Si Cu Mg Ni Mn Fe Zn 26 12,25 1,15 1,15 1,05 0,15 0,4 0,1 12,18 1,17 1,18 1,01 0,13 0,41 0, ,41 2,04 1,39 0,97 0,01 2) 0,39 0,02 1) zawartści innych zanieczyszczeń były na pzimach jak w stpach tabeli 7.1; 2) pdbny rsyjski stp AЛ25 (AK12M2MгH) w rzeczywistści winien zawierać 0,3 0,6% Mn [74] 7.3. Klasyczny plan dświadczeń dla bezniklwych siluminów ze zmienną zawartścią cynku Włączenie cynku d planu dświadczeń znacznie skmplikwałby sytuację badawczą, z uwagi na wzrst liczby eksperymentów (wytpów), a także pwiększenie rzmiaru sameg mdelu matematyczneg. Wiązałby się t też ze zwiększeniem czasu i ksztów badań. W związku z tym, wpływ cynku badan ddzielnie, w układzie klasycznym [325]. Jak wyjściwy wykrzystan stp z dświadczenia (wytpu) Nr 14 planu eksperymentu (vide tabela 7.1), kłeutektycznej zawartści krzemu (~12,5%) raz średnich zawartściach Cu, Mg, Mn i Fe. D tak zdefiniwaneg stpu bazweg, pstanwin wprwadzać różne zawartści cynku, dpwiedni na pzimach: 0,5; 1,0; 1,5 i 2,0% (tabela 7.3). Tabela 7.3. Plan wytpów bezniklwych siluminów tłkwych wzrastających zawartściach cynku [234] Nr dświadczenia (wytpu) Zakładane (teretyczne) pzimy wartści czynników badanych Skł ad chemiczny stpów 1), [% wag.] Oznaczne na drdze analizy spektrmetrycznej pzimy wartści czynników badanych Si Cu Mg Mn Fe Zn Si Cu Mg Mn Fe Zn 2) 14 12,5 2,5 1,0 0,6 0,7 0,0 12,77 2,51 1,12 0,55 0,70 0, ,5 2,5 1,0 0,6 0,7 0,5 12,59 2,51 1,10 0,52 0,69 0, ,5 2,5 1,0 0,6 0,7 1,0 12,51 2,59 1,12 0,52 0,71 1, ,5 2,5 1,0 0,6 0,7 1,5 12,66 2,58 1,12 0,50 0,69 1, ,5 2,5 1,0 0,6 0,7 2,0 12,75 2,53 1,11 0,51 0,66 2,494 1) zawartści niklu i innych zanieczyszczeń były dla na pzimie jak w eksperymentalnych stpach Nr 1 25 (vide tabela 7.1); 2) spektralna analiza chemiczna wyknana zstała w IMN OML w Skawinie Jak wykazała przeprwadzna spektralna analiza chemiczna (tabela 7.3), uzyskane w rzeczywistści pzimy zawartści cynku w eksperymentalnych stpach były niec wyższe, c znacza, że zawartść teg pierwiastka w zaprawie Al-Zn (vide tabela 7.4) była wyższa, niż wynikał t z trzymaneg d dstawcy atestu. Sytuacja ta nie zmniejszyła jednak pznawczej wartści dświadczeń, a w dalszych dyskusjach brane były pd uwagę wyniki kńcwej analizy. 102

104 7.4. Wyknanie wytpów dświadczalnych W celu realizacji przyjęteg planu badań (vide pdrzdział 7.1), d przeprwadzenia wytpów dświadczalnych wykrzystan: a) zaprjektwane 3 kmpzycje wielskładnikwych stpów; b) stpy wstępne (zaprawy) raz c) czyste aluminium. W tabeli 7.4 pdan wyniki analizy chemicznej wyszczególninych materiałów wsadwych, które przyjmwan d bliczeń namiarów wsadu metalweg. Tabela 7.4. Wyjściwe materiały wsadwe raz wyniki analizy ich składu chemiczneg [234] Stpy wstępne Stpy pdwójne (zaprawy) Al Oznaczenia S k ł a d c h e m i c z n y, [% wag.] Si Cu Mg Mn Fe Ni Zn Suma zanieczyszczeń 1) AlSi8CuMgMnFe 8,10 1,10 0,323 0,233 0,25 0,002 0,002 0,006 AlSi10CuMgMnFe 10,57 1,20 0,370 0,226 0,25 0,002 0,002 0,007 AlSi12CuMgMnFe 12,00 1,13 0,338 0,241 0,24 0,002 0,004 0,010 Al Si 22,70 0,010 0,001 0,003 0,18 0,005 0,005 Al Cu 0,03 34,50 0,002 0,004 0,19 0,006 0,005 Al Mg 0,02 0,01 20,50 0,003 0,17 0,005 0,004 Al Mn 0,08 0,01 0,020 7,45 0,20 0,010 0,005 Al Fe 0,04 0,01 0,002 0,050 12,50 0,010 0,040 Al Ni 0,03 0,01 0,002 0,010 0,18 11,75 0,010 0,003 Al Zn 0,02 0,01 0,008 0,008 0,18 10,05 0,004 czyste Al (AR1) 2) 6,5 4,5 0,6 0,1 3,3 2,6 2,6 0,6 1) Kntrlwane zanieczyszczenia, jak w tabeli 7.1; 2) wartści zawartści zanieczyszczeń dla czysteg Al (AR1), pdane zstały w ppm (1 ppm = 10-4 % wag.). Uwaga! Wlewki niestpweg aluminium AR1 dpwiadają, c d składu chemiczneg, aluminium EN AB (EN AB-Al99,99), zgdnie z PN-EN 576: Obliczenia przeprwadzan tak w układzie prcentwym, jak też w dniesieniu d całkwitej masy wsadu wynszącej 12 kg (rys. 7.1). Odważania, pszczególnych składników wsadu metalweg, dknywan na wadze analityczn-przemysłwej typu WTP 12C (firmy AXIS, Plska) maksymalnym dpuszczalnym udźwigu 15 kg, z dkładnścią ważenia 1g. Rys Przykład bliczenia namiaru wsadu metalweg dla stpu Nr 1, zgdnie z planem dświadczeń (kn wynikwe arkusza kalkulacyjneg Micrsft Excel 2003) Wytpy dświadczalne wyknywane były w piecu indukcyjnym, typu ACEC (CHAR- LEROI) prdukcji belgijskiej, z tyglem grafitwym maksymalnej pjemnści dpwiadającej k. 14 kg stpu aluminium. P załadwaniu d pieca wsad metalwy wstępnie pdgrzewan, a ptem rztapian i przegrzewan pwyżej temperatury tpnienia. Tempe- 103

105 raturę ciekłeg stpu mierzn termparą 2xNiCr-Ni typu K, z dkładnścią 5 C, pdłączną d rejestratra AOT-2 z cyfrwym dczytem. Z uwagi na t, że wyjściwe materiały wsadwe charakteryzwały się dużą czystścią, a szybkść ich nagrzewania d temperatury tpnienia i zalewania w piecu indukcyjnym była stsunkw duża, nie przeprwadzan zabiegów rafinacyjnych, ani też tych związanych z rzdrbnieniem ziaren Al - rztwru stałeg czy mdyfikacją eutektyki ( Al + β Si ). Temperaturę ciekłeg stpu przed zalewaniem, dla wszystkich dświadczalnych siluminów tłkwych, utrzymywan w przedziale C. Odlewy dświadczalne zalewane były d frm metalwych (kkil), pkrytych d wewnątrz kkilkrytem na bazie grafitu klidalneg i pdgrzanych przed zalewaniem d temperatury z zakresu C. Odlewan znrmalizwane próbki wytrzymałściwe (rys. 7.2a) raz pręty stżkwe (d 34 d 44 na długści 140 mm + rzszerzający się ku górze nadlew wyskści k. 35 mm rys. 7.2b). a) b) Rys Frmy metalwe d dlewania: a) próbek wytrzymałściwych, wg PN-88/H-88002; b) niestandardwych prętów stżkwych Pręty próbek wytrzymałściwych wykrzystywane były d przeprwadzenia większści eksperymentalnych badań, mających na celu: 1) wyznaczenie mechanicznych właściwści w pkjwej raz pdwyższnej (350 C) temperaturze; 2) przeprwadzenie dylatmetrycznych raz kalrymetrycznych badań; 3) cenę trwałych zmian wymiarwych; 4) identyfikację składników mikrstruktury. Z dlnej części prętów stżkwych wycinane były próbki: a) walcwe wymiarach 25 x 25 mm, z przeznaczeniem d badań twardści na grąc (przyspiesznej charakterystyki żarwytrzymałści) raz b) w kształcie dysku (vide rys. 8.3) d ceny dprnści na zmęczenie cieplne. Pnieważ eksperymentalne bezniklwe siluminy, jak też stpy prównawcze (wzrcwe) z niklem dlewane były d frm metalwych (kkil), c zapewniał dpwiedni stpień przesycenia Al - rztwru stałeg, dlateg też ich bróbka cieplna plegała jedynie na sztucznym starzeniu (T5). Dany typ bróbki cieplnej przeprwadzany był w piecususzarce typu ZUGiL (prd. plskiej), z wymusznym biegiem pwietrza i czujnikiem termparwym. Wybrane na pdstawie analizy krajwych i zagranicznych źródeł literaturwych parametry prcesu sztuczneg starzenia były następujące: temperatura 220 C, czas 6 h. Analizę składu chemiczneg eksperymentalnych siluminów tłkwych wyknywan, metdą ptycznej spektmetrii emisyjnej, w akredytwanym labratrium Instytutu Metali Nieżelaznych Oddział Metali Lekkich w Skawinie. Odntwać należy zadwalającą gdnść zakładanych pzimów zawartści pszczególnych składników stpwych w dświadczalnych siluminach, zgdnie z planem eksperymentów, z wynikami analizy spektralnej (vide tabela 7.1). 104

106 8. Metdyka badań Wykrzystywane metdy badawcze z jednej strny są pchdną rzpatrywanych w rzdziale 6 warunków pracy tłków, a zatem wyspecyfikwanych fizykchemicznych i eksplatacyjnych właściwści twrzyw tłkwych charakteryzujących ich dprnść w stsunku d występujących w silniku spalinwym bciążeń; z drugiej dpwiadają mżliwścim aparaturwym, a także gólnej racjnalnści i eknmicznści badań. Zakłada się, że stateczną kmplekswą weryfikację twrzywa tłkweg stanwić mają badania silnikwe. Siluminy tłkwe wymagają kreślenia przede wszystkim mechanicznych właściwści w krótktrwałych raz długtrwałych próbach, w zakresie rbczej temperatury tłka. W badaniach twrzyw pdlegających długtrwałym bciążenim nierzadk znajdują zastswanie metdy mechaniczneg i/lub cieplneg (termiczneg) przyspieszenia [45, 78], plegające na tym, że pzimy naprężeń i/lub temperatury w trakcie badań labratryjnych przewyższają czekiwane ich wartści eksplatacyjne. O ile sens mechaniczneg przyspieszenia jest stsunkw prsty, t termiczne (cieplne) przyspieszenie ma fizykalnie bardziej złżny charakter uwarunkwany głównie wzrstem prędkści prcesów dyfuzyjnych w pdwyższnej temperaturze [78]. Teg typu pdejście zastswan w niniejszej pracy, w dniesieniu d ceny niedwracalnych zmian wymiarwych w warunkach quasi-statycznych bciążeń cieplnych (przyspieszenie cieplne) raz częściw d charakterystyki żarwytrzymałści (przyspieszenie mechaniczne) Badania mechanicznych właściwści Ocena długtrwałej twardści na grąc Jak dntwan t w pdpunkcie , długtrwała (1 h) twardść na grąc jest uznaną przyspieszną charakterystyką żarwytrzymałści siluminów tłkwych. Badania teg typu pdbnie jak krótktrwałej (30 s) znrmalizwanej twardści spsbem Brinella, w temperaturze pkjwej (wg PN-EN ISO :2008) wyknywane są zazwyczaj przy wykrzystaniu zwykłych twardścimierzy, zapatrznych ddatkw w piec elektryczny z termregulacją [103]. W Instytucie Odlewnictwa w Krakwie pstanwin zastswać w tym celu numerycznie sterwaną maszynę wytrzymałściwą typu Schenck Hydrpuls PSB100 (firmy Carl Schenck A.G., Darmstadt, Niemcy), przeznaczną głównie d badań wytrzymałściwych metali i stpów w pdwyższnej i wyskiej temperaturze. Idea jej przystswania d ceny długtrwałej twardści na grąc wynikała przede wszystkim z mżliwści wykrzystania gtweg układu grzewczeg sterwaneg systemem kntrln-pmiarwym. W celu umżliwienia przekształcenia ruchu rzciągająceg na ściskający, była zaprjektwana i wyknana specjalna przystawka (rys. 8.1). Przed właściwym bciążeniem, umieszczne w przystawce próbki badawcze były stabilizwane przez k. 30 min w kreślnej temperaturze (w danym przypadku 350 C). Stałe ściskające bciążenie wynsił 2452 N; czas jeg przyłżenia jedna gdzina (1 h). Wgłębnik stanwiła kulka, średnicy 10 mm, ze stali żardprnej. Na rysunku 8.2 pkazan typwy wykres przemieszczania się wgłębnika (w si pinwej), w pwierzchniwą warstwę materiału badanej próbki, w funkcji czasu. Obserwwane zmiany przypminają krzywą lgistyczną, dla której charakterystyczne jest zmierzanie d granicznej asymptty 105

107 Rys Układ grzewczy maszyny wytrzymałściwej Schenck Hydrpuls PSB100 (1) z przystawką (2) raz widczną cylindryczną próbką (3) d ceny długtrwałej (1 h) twardści na grąc [234] 106 Rys Przykładw rejestrwane zmiany przemieszczenia wgłębnika w funkcji czasu, w próbie długtrwałej (1 h) twardści na grąc, dla jedneg z dświadczalnych bezniklwych siluminów tłkwych [234] pzimej. P jednej gdzinie bciążenia praktycznie następuje zanik przemieszczania wgłębnika w materiał próbki, c świadczy pprawnie dbranych parametrach próby. 350 C Miarą żarwytrzymałści, w pdanych warunkach, jest twardść HB10/2452/1h ceniana w skali Brinella na pdstawie uzyskaneg dcisku. Wykrzystując ddatkw inne mechaniczne właściwści (R m i HB) trzymane w krótktrwałych próbach, w temperaturze pkjwej kreślić mżna dla badanych stpów przybliżną wartść, na pdstawie zależnści (6.5), czaswej granicy wytrzymałści na długtrwałe bciążenia R. z/100/350 C Określenie pdstawwych mechanicznych właściwści (R m, R p0,2, A 5, Z i HB) w pkjwej raz w pdwyższnej temperaturze W celu wyznaczenia mechanicznych właściwści (R m, R p0,2, A 5 i Z) w temperaturze pkjwej, przeprwadzan próby statyczneg rzciągania próbek, zgdnie z nrmą PN-EN :2004. Badania realizwan na maszynie wytrzymałściwej typu EU 20, firmy Werkstffprüfmaschinen (Leipzig, Niemcy); wykrzystywan w nich mstek tensmetryczny typu P-3500 Vishay Measurements Grup (USA) raz tensmetry TFs-10/120 firmy TANMEX (Pracwni Tensmetrii Elektrprwej). Pdstawwe parametry badań były następujące: a) pmiary wyknywan na próbkach cylindrycznych, wytcznych z prętów próby wytrzymałściwej (vide rys. 7.2a) średnicy rbczej równej 10 mm i długści części pmiarwej 50 mm (próbka Nr 15 wg nrmy PN-EN ); b) temperatura w pmieszczeniu labratryjnym pdczas prób była kntrlwana i utrzymywana na pzimie 20 1 C; c) średni przyrst naprężenia w funkcji czasu wynsił k. 3,2 MPa/s. Próby rzciągania w pdwyższnej temperaturze wyknywane były zgdnie z PN-EN :1998, na zautmatyzwanej, sterwanej prgramw maszynie wytrzymałściwej typu Schenck PSB100, pracującej w parciu system hydrpulswy. Cylindryczne próbki d badań, wymiarach części rbczej Ø5 x 25 mm (przy całkwitej ich długści 80 mm), wycinan również z prętów próby wytrzymałściwej. Przed właściwym badaniem próbki pwli nagrzewan, a zatem przez k. 30 minut stabilizwan w kreślnej

108 warunkami eksperymentu temperaturze (350 C). Średnia prędkść prcesu rzciągania wynsiła k. 0,05 mm/s. Inne szczegóły przeprwadzania próby rzciągania w tych warunkach zaprezentwane zstały w pracy [371]. Oznaczenie twardści, spsbem Brinella, wyknan na twardścimierzu typu ALPHA, firmy Aktieblaget ALPHA (Sundbyberg, Szwecja), zgdnie z nrmą PN-EN ISO :2008. Miejscem kreślenia twardści HB były zeszlifwane główki próbek wytrzymałściwych. W badaniach wykrzystywan stalwy wgłębnik średnicy 5 mm; siła bciążająca wynsiła 2452 N; nminalny czas próby był równy 30 s Bezpśrednie i pśrednie wskaźniki dprnści na ciepln-mechaniczne zmęczenie Jak stwierdzn w rzdziale 6, dprnść twrzywa na ciepln-mechaniczne zmęczenie zależy zarówn d schematu cyklu bciążeniweg (charakteryzwaneg takimi wielkściami jak: t max, t śr, czy K), jak też d jeg fizyk-mechanicznych właściwści. W pdpunkcie pkazan, że charakterystyki zmęczenia mechaniczneg siluminów tłkwych stsunkw dbrze krelują z właściwściami wytrzymałściwymi (R m, R p0,2 ), natmiast pśrednim przyspiesznym wskaźnikiem dprnści na zmęczenie cieplne mże 350 C być wysktemperaturwa plastycznść A 5. Prawdziwść teg twierdzenia sprawdzn badając, wg pisanej niżej metdy, dprnść na zmęczenie cieplne wybranych dświadczalnych siluminów. D badań na zmęczenie cieplne wytypwan, na pdstawie analizy danych literaturwych raz technicznych mżliwści psiadaneg urządzenia (vide rys. 8.5), pkazane na rysunku 8.3 próbki w kształcie str zakńcznych dysków, wytaczane z dlnych części kkilwych dlewów stżkwych (rys. 7.2b) i brabiane cieplnie d stanu T5. Rys Kształt i wymiary próbki d badania zmęczenia cieplneg na specjalnym urządzeniu (vide rys. 8.5) [52, 371] Schemat bciążenia cieplneg dświadczalnych próbek, według przyjęteg a priri załżenia (a) raz rzeczywistej jeg realizacji (b), pkazują wykresy na rysunku 8.4. a) b) Rys Cykle zmian temperatury w badaniach zmęczenia cieplneg: a) teretyczny (zakładany); b) praktyczny (rzeczywisty, na pdstawie mikrprcesrw rejestrwanej temperatury) [52, 371] 107

109 Załżny prgram bciążeń cieplnych był realizwany na zmechanizwanym i zautmatyzwanym urządzeniu, zaprezentwanym na rysunku 8.5. Istta ceny dprnści na zmęczenie cieplne plegała na bserwacji badanych próbek raz rejestracji: a) ilści cykli d pjawienia się pierwszeg pęknięcia raz b) zliczania całkwitej długści pęknięć, p kreślnej liczbie bciążeń cieplnych, w zakresie d 0 d 1000 cykli. Bardziej szczegółwe infrmacje dnśnie metdyki badania bezniklwych siluminów na zmęczenie cieplne zawarte są w pracach [52, 234, 371]. 108 Rys Ogólny widk urządzenia d badania zmęczenia cieplneg metali: 1 piec sylitwy; 2 warstwa izlacyjna; 3 kmra pieca; 4 panel sterujący; 5 zbirnik z chłdziwem; 6 miejsce mcwania próbek dświadczalnych; 7 żardprne pręty stalwe łączące próbki z wysięgnikiem; 8 ramię wysięgnika (Instytut Odlewnictwa, Kraków) 8.2. Parametry stabilnści wymiarwej w warunkach bciążeń cieplnych Badania charakterystyk stabilnści wymiarwej tak względem dwracalnych, jak i niedwracalnych zmian mżna pdzielić na następujące rdzaje [233]: Badania labratryjne wyknywane zarówn na próbkach dświadczalnych [23, 197, 202, 248, 296, 297, 306, 307, 331, 333, 334, 392, 388], jak też na gtwych (p bróbce cieplnej i wykańczającej bróbce ubytkwej) tłkach [174, 175, 181, 248, 285, 387, 391, 441]; Badania stanwiskwe przeprwadzane na specjalnych urządzeniach symulujących bciążenia cieplne silnika spalinweg [34, , 183, 220, 272, 275]; Badania eksplatacyjne pdczas prób silnikwych hamwni [214, 376], bądź w naturalnych warunkach drgwych [158]. Przed wdrżeniem d praktyki przemysłwej, nwe materiałw-knstrukcyjne rzwiązania tłków wymagają w zasadzie przeprwadzenia każdeg z tych rdzajów badań. Należy pamiętać jednak, że w pdanym wyżej uprządkwaniu rsną również kszty badań, dlateg też pierwszplanwe miejsce w zagadnieniach pracwywania nwych lub dsknalenia istniejących stpów zajmują zazwyczaj szybsze i tańsze badania labratryjne Wyznaczenie charakterystyk dwracalnych zmian wymiarwych w badaniach dylatmetrycznych Badania rzszerzalnści cieplnej przeprwadzan na dylatmetrze niemieckiej firmy Linseis mdel L75 (rys. 8.6a). Urządzenie t pzwala na uzyskiwanie i przetwarzanie elektryczneg sygnału, prprcjnalneg d zmian długści badanej próbki, w warunkach kntrlwaneg i zaprgramwaneg prcesu nagrzewania i/lub studzenia. Ideę gemetrii pmiarwej dylatmetru przedstawia schemat na rysunku 8.6b. Szczelna kwarcwa słna utrudnia dstęp pwietrza d bszaru, w którym znajduje się badana próbka raz pzwala na stswanie bjętnej (argn) atmsfery chrnnej. Kwarcwy pręt, wewnątrz któreg

110 umieszczny jest termelement, płączny z rdzeniem czujnika indukcyjneg, przensi zmiany wymiarwe próbki na dpwiadające im zmiany wielkści elektrycznej (mierznej czujnikiem indukcyjnym). Obydwie te wielkści są ze sbą ściśle skrelwane. a) b) Rys Stanwisk d badań dylatmetrycznych: a) widk gólny, b) schemat gemetrii pmiarwej (Instytut Odlewnictwa, Kraków) Sygnał dylatmetryczny i temperaturwy zapisywan, za pmcą wielkanałweg rejestratra L8500 Linseis Data Acquisitin System, na twardym dysku kmputera. Ten spsób rejestracji danych pmiarwych ułatwiał późniejszą ich bróbkę, w celu trzymania różniczkwych (dl(t)/dt) krzywych dylatmetrycznych. Przy zastswanym pwiększeniu 2000x, czułść pmiarwa dylatmetru Linseis wynsiła 65 mv/mm. Pdczas badania zwracan uwagę na eliminację systematycznych błędów, które mgły pwstawać pdczas przygtwania próbek d badań raz w trakcie kalibracji aparatury. W badaniach stswan cylindryczne próbki, wymiarach 3 x 30 mm, wycinane z dlewów próby palcwej (vide rys. 7.2a). Stsunkw niewielkie rzmiary próbek dylatmetrycznych pzwalały na utrzymanie jednrdneg pla temperatury w całej bjętści materiału. Przed właściwym badaniem próbki były stabilizwane cieplnie, pprzez ich wygrzewanie przez 2 gdziny, w temperaturze 100 C w celu usunięcia naprężeń mechanicznych pwstałych pdczas bróbki ubytkwej. Szybkść nagrzewania i studzenia w trakcie badań dylatmetrycznych była zaprgramwana na pzimie 5,0 K/min. Na pdstawie rejestrwanych danych liczbwych, kreślan techniczne (α tech ) raz fizyczne (α fiz ) współczynniki rzszerzalnści cieplnej badanych siluminów tłkwych w zakresie temperatury d 20 d 400 C. Niepewnść pmiarwa α tech i α fiz zależna była głównie d dkładnści pmiaru temperatury i wynsiła k. 0, K Dwa spsby ceny trwałych (niedwracalnych) zmian wymiarów Trwałe (niedwracalne) zmiany wymiarwe cenian p 100 gdzinach iztermiczneg wygrzewania próbek w temperaturze 500 C. Z wcześniejszych badań autra [233] wynikał bwiem, że wielkści dkształceń w tych warunkach są isttne, w prównaniu d nieznacznych zmian w warunkach cyklicznych (np. p 100 termcyklach) bciążeń cieplnych, według schematów: a) 500 C 20 C, tj. p 15-minutwym wygrzewaniu w temperaturze 500 C, a następnie szybkim schłdzeniu w wdzie temperaturze pkjwej; b) 500 C 20 C 100 C tak jak w pierwszym przypadku, z ddatkwym 10- minutwym przetrzymywaniem we wrzącej wdzie. Iztermiczne bciążenia cieplne, według pdaneg schematu iztermiczneg wygrzewania, przeprwadzan w piecu labratryjnym typu Multitherm N21/M firmy Nabertherm (Niemcy), z jednrdnym wewnątrz rbczej kmry rzkładem temperatury, sterwanej mikrprcesrw z dkładnścią 109

111 1 C. W celach pznawczych i prównawczych zdecydwan się dknać ceny niedwracalnych zmian wymiarwych w dniesieniu d dwóch różnych wymiarw próbek cylindrycznych; są ne pchdną zarówn prpnwanych metd badawczych, jak też mżliwści technicznych psiadanej aparatury. Cylindryczne próbki wytaczan z dlanych i brbinych cieplnie (d stanu T5) prętów próby wytrzymałściwej, które przed właściwym bciążeniem cieplnym, według przyjęteg schematu, pddawan zabiegwi stabilizwania, plegającemu na 2-gdzinym wygrzewaniu w piecu-suszarce w temperaturze 100 C, z następującym bardz wlnym chłdzeniem. A. Ocena trwałych zmian bjętści (bjętści właściwej) próbek kształcie walcwym metdą ważenia hydrstatyczneg Nietrudn jest udwdnić teretycznie, że bezwzględne raz względne zmiany bjętści jednrdnych ciał są prprcjnalne d dpwiednich zmian bjętści właściwej, t jest: V = k 1, (8.1) raz V/V 0 = k 2 / 0 i V/V 0 100% = k 2 / 0 100%, (8.2) gdzie: V 0, 0 pczątkwa bjętść i bjętść właściwa próbki; V k, k dpwiedni kńcwa bjętść i bjętść właściwa próbki; k 1 1 i k 2 = 1 współczynniki prprcjnalnści; przy czym: V = V k V 0, a = k 0. W statystycznym ujęciu, zależnści (8.1) i (8.2) mają współczynniki krelacji równe (lub bliskie) jednści. Istta zaprpnwanej metdy plega głównie na pmiarze bjętści właściwej, jak dwrtnści gęstści ( = 1/ ), dświadczalnych próbek w stanie wyjściwym raz p kreślnym bciążeniu cieplnym. Gęstść (masę właściwą) próbki (w g/cm 3 ) wyznaczan drgą hydrstatyczneg ważenia, wychdząc z rzwinięteg prawa Archimedesa (ang. Archimede s principle), na pdstawie następującej zależnści [35, 80, 206, 227, 233, 234, 287, 483]: m p ρ ( ρc ρ p ) ρ p [1 β( t 20)], (8.3) m p mc gdzie: m p masa próbki w pwietrzu; m c masa próbki w cieczy (np. wdzie destylwanej); c gęstść cieczy; p gęstść pwietrza; bjętściwy współczynnik rzszerzalnści cieplnej materiału próbki (średni w zakresie temperatury 20 t), przy czym 3α (α liniwy współczynnik rzszerzalnści cieplnej wyznaczny w badaniach dylatmetrycznych); t ustabilizwana temperatura pwietrza i cieczy w trakcie pmiarów m p i m c. Pmiary masy próbek w pwietrzu raz cieczy wyknywan na wadze analitycznej typu E42, prdukcji włskiej (firmy GIBERTINI), z ddatkwym wypsażeniem d ważenia w cieczy (rys. 8.7). Maksymalne dpuszczalne bciążenie wagi wynsił 240 g, a dkładnść dczytu 0,1 mg (0,0001 g). Na pdstawie danych literaturwych [23, 202], wcześniejszych dświadczeń autra [80, 233], dpuszczalnych bciążeń wagi i gabarytów przynależnych jej akcesriów raz z przyczyn praktycznych (łatwści przygtwania), d badań wytypwan walcwy kształt dświadczalnych próbek. Na pdstawie wymieninych przesłanek przyjęte zstały następujące ich wymiary: 12 x 18 mm, tj. stsunku średnicy d długści równym 1 : 1,5, c dpwiadał bjętści k. 2 cm 3 [234]. 110

112 Rys Stanwisk d pmiaru gęstści dświadczalnych próbek drgą hydrstatyczneg ważenia: waga analityczna z akcesriami d pmiaru masy próbki w cieczy raz metemetr (Instytut Odlewnictwa, Kraków) W celu dkładneg wyznaczenia gęstści na pdstawie zależnści (8.3), wymagana jest znajmść gęstści cieczy c raz gęstści pwietrza p w temperaturze t w mmencie pmiaru. Gęstść cieczy (wdy destylwanej), w zależnści d temperatury, znaczan na pdstawie danych tabelarycznych (z dkładnścią d 0,00001 g/cm 3 ) pchdzących [123]. Gęstść pwietrza w temperaturze t, przy ciśnieniu p p (w hpa) lub H wyskści słupa rtęci (w mm) bliczan natmiast z zależnści: ρ p 0, p p 0, H, (8.4) (1 0, t) 1013,25 (1 0, t ) 760 gdzie: 1 mm słupa Hg (tr) = 1,33322 p p (w hpa) [123, 233, 234]. Temperaturę t tczenia raz ciśnienie H dczytywan, pdczas każdeg pmiaru gęstści, za pmcą metemetru M-862 (typu Sircc, prdukcji plskiej) rys Szacwana niepewnść pjedynczeg pmiaru gęstści u(ρ) na pzimie jedneg dchylenia standardweg (1, tj. k. 68%) była równa: 0,0012 g/cm 3 [82]. B. Ocena trwałych zmian długści próbek palcwych Zastswanie palcwych próbek, wymiarach 10 x 100 mm (tj. stsunku średnicy d długści równej 1 : 10 i bjętści k. 7,85 cm 3 ), pdyktwane był chęcią uzyskania bardziej dkładnych rejestracji zmian wymiarów (długści), w dniesieniu d wcześniej stswanych metd [80, 233] wykrzystujących krótsze próbki kształcie walcwym (vide punkt A). Precyzyjne pmiary długści l próbek z dświadczalnych siluminów tłkwych przeprwadzne były w labratrium pmiarwym Instytutu Zaawanswanych Technlgii Wytwarzania (IZTW, dawny Instytut Obróbki Skrawaniem IOS) w Krakwie. Wyjściwa długść próbki palcwej, a także kńcwa (p iztermicznym bciążeniu cieplnym, w temperaturze 500 C, w ciągu 100 h) mierzne były w kntrlwanych warunkach klimatycznych: w temperaturze 20 0,5 C, przy wilgtnści pwietrza na pzimie 55 10%. W celu uzyskania maksymalnej dkładnści i pwtarzalnści pmiarów, wszystkie próbki dświadczalne przed właściwym badaniem pddawan wstępnej stabilizacji, plegającej na 48-gdzinnym ich przetrzymywaniu w pdanych kntrlwanych warunkach. Pmiary 111

113 wyknywan na maszynie pmiarwej typu IOTA PMAN, wypsażnej w układ sterwania MPCU3R raz system prgramwy SOFT WIN 3D. Maszyna pmiarwa psiadała następującą charakterystykę: a) zakresy pmiarwe w siach: X 700, Y 600 i Z 400 mm; b) rzdzielczść systemów pmiarwych wynsiła 1/0,5 m, a błąd 3 + l/250 m, gdzie l wyrażne był w mm. W rzpatrywanym przypadku próbki palcwej, błąd pmiaru długści wynsił 3,4 m. Cykl pmiarwy bejmwał następujące etapy: umieszczenie próbki palcwej w pryzmie pmiarwej wzdłuż si X (rys. 8.8a i b); unieruchmienie próbki, za pmcą dcisku, przed pmiarem (rys. 8.8b); a) b) Rys Schemat układu pmiarweg maszyny IOTA PMAN (IZTW, Kraków); a) gólny schemat krdynacji próbki palcwej, przy pmiarze długści; b) system ułżenia i mcwania próbki [234] wyznaczenie płaszczyzny pmiarwej na tylnej pwierzchni próbki palcwej pprzez pmiar współrzędnych jej trzech punktów P 1, P 2 i P 3 (rys. 8.9); pmiar współrzędnych centralneg punktu P t na tylnej pwierzchni próbki palcwej; wyknanie peracji zerwania w punkcie P t, tj: P t (0, 0, 0); Rys Schemat wyznaczenia płaszczyzny pmiarwej na tylnej pwierzchni próbki palcwej raz identyfikacja na niej punktu centralneg P t [234] zmierzenie współrzędnych trzech punktów na przedniej części próbki palcwej (rys. 8.10); Rys Schemat wyznaczenia współrzędnych trzech punktów na przedniej pwierzchni próbki palcwej [234] 112 bliczenie trzech dległści: l 1 = P 11 P t, l 2 = P 22 P t, l 3 = P 33 P t ; wyliczenie średniej wartści: l śr = (l 1 + l 2 + l 3 )/3; wartść tę traktwan jak rzeczywistą zmierzną długść próbki palcwej i wprwadzan ją d tabeli wyników. Dla knkretneg dświadczalneg siluminu tłkweg przeprwadzan cenę zmian wymiarów (długści) dla trzech jednrdnych próbek palcwych, a kńcwy wynik stanwił średnią arytmetyczną. Na pdstawie wyników pmiarów pchdzących z trzech

114 jednrdnych próbek, w stanie wyjściwym raz p bciążeniu cieplnym, statecznie kreślan uśrednine względne (w %) zmiany długści daneg stpu Charakterystyka badań metalgraficznych Badania metalgraficzne przeprwadzn głównie w Zesple Labratriów Badawczych Instytutu Odlewnictwa w Krakwie, wykrzystując d teg celu mikrskp ptyczny (AXIO OBSERVER Z1m) raz skaningwy mikrskp elektrnwy (SEM) typu STE- REOSCAN 420 z mikranalizatrem rentgenwskim EDS LINK ISIS 300. Część bserwacji metalgraficznych wraz z elektrniczną rejestracją dknywan na mikrskpie ptycznym typu NEOPHOT 2 w Instytucie Metali Nieżelaznych OML w Skawinie. Identyfikacji elementów mikrstruktury badanych siluminów dknywan na bazie kryteriów mrflgicznych raz jakściw-ilściwej analizy lkalneg bszaru ( rzmiarach d jedneg d kilku mikrmetrów) składu chemiczneg. Parametry jakściwej mikranalizy rentgenwskiej były następujące: a) zakres analizwanej energii charakterystycznej linii wynsił 0 20 kev, b) bezwzględna granica wykrywalnści dla detektra krzemwlitweg SATW była równa Z = 4 (beryl, jakściw) raz c) zdlnść rzdzielcza detektra 133 ev. Analiza ilściwa parta była na zastswaniu bezwzrcwej metdy raz metdy prównawczej z krekcją ZAF4 FLS lub PROZA. Zgdnie z instrukcją KBM/001/02 [167], warunki bserwacji były następujące: a) napięcie przyspieszające 25 kv; b) prąd próbki 250 pa; c) rdzaj detektra SE1. Wynikiem badań metdą mikranalizy rentgenwskiej EDS (ang. Energy Dispersive Spectrmetry) były mikrftgrafie struktury, z uwidczninymi na nich typwymi dla rzpatrywaneg stpu składnikami fazwymi (przy pwiększeniach d 2500 d 6000 razy), a także widma dyfrakcji elektrnów wraz z ich pisem dla wybranych mikrbszarów. Pdczas identyfikacji składników mikrstruktury, wspmagan się zestawieniem, wyknanym przez autra niniejszeg pracwania, dtyczącym składu chemiczneg raz ważniejszych fizykchemicznych właściwści dla najczęściej występujących w stpach aluminium faz międzymetalicznych (vide tabela 3.1). Ddatkwe infrmacje pchdziły z: a) badań kalrymetrycznych; b) uprządkwaneg względem temperatury rejestru prawdpdbnych reakcji równwagwych w stpach aluminium i szczególnie siluminach stpwych (vide Załącznik), a także c) dstępnych atlasów mikrstruktur [7, 152, 381, 474, 475]. Za pmcą skaningweg mikrskpu dknan też bserwacji mrflgii 3D, na preparatach głębk trawinych (w 30-prcentwym rztwrze wdnym NaOH), w dniesieniu d wybranych dświadczalnych stpów w stanie przed- i p bciążeniu cieplnym. Zgłady metalgraficzne przygtwywan na zautmatyzwanym urządzeniu typu TegraPl-35 firmy STRU- ERS; były ne przygtwane, w stanie nietrawinym bądź trawinym, zgdnie z instrukcją KBM/001/02 pracwaną w Instytucie Odlewnictwa w Krakwie [167]. W celu ujawnienia mikrstruktury badanych siluminów stpwych stswan, zgdnie z PN-75/H-04512:1975, następujące dczynniki: 1) Mi1Al (0,5 cm 3 HF + 99,5 cm 3 H 2 0), 2) Mi2Al (0,5 cm 3 HF + 1,5 cm 3 HCl + 2,5 cm 3 HNO ,5 cm 3 H 2 O) raz 3) Mi7Al (1 g NaOH cm 3 H 2 O). Cyfrwe mikrftgrafie struktury badanych siluminów wyknywan na mikrskpie ptycznym przy pwiększeniach: 100, 200 i 500 razy. W pracach B. Böttgera i in. [58, 59], na przykładzie siluminów przeznacznych m.in. na tłki silników spalinwych, pkazan współczesne znaczenie kmputerweg wspmagania w pstaci termdynamicznych i/lub dyfuzyjnych prgramów bliczeniwych typu: CALPHAD, MICRESS czy THERMOCALC. Pzwalają ne na przewidywanie składu fazweg stpu raz jeg prównanie i stateczną krektę z tym uzyskanym na drdze badań metalgraficznych. Pkazan, że bliczeniwe metdy predykacji składni- 113

115 ków mikrstruktury są czułe na niewielkie zmiany specyfikacji stpu (kreślane składem chemicznym i/lub warunkami krzepnięcia), c mże w niedalekiej przyszłści degrać znaczącą rlę przy pracwywaniu nwych stpów [58]. Zasadnicz nwe stpy pjawiają się bwiem wtedy, kiedy dkrywane są nwe umacniające fazy [124] Zastswanie różnicwej kalrymetrii skaningwej d sprecyzwania składu fazweg badanych siluminów Badania różnicwej kalrymetrii skaningwej (DSC, ang. differential scanning calrimetry) należą d grupy metd analizy termicznej (TA, ang. thermal analysis) [103, 128, 286], czy też inaczej nazywanych metd analizy cieplnej [217]. Autrzy pracy [128] uważają metdę DSC za kmplementarną w stsunku d bserwacji metalgraficznych. Pdczas realizacji prac związanych z identyfikacją składu fazweg stpów, wykrzystan mdułwy różnicwy kalrymetr skaningwy DSC 404C Pegasus, firmy Netzsch-Gerätebau GmbH (Niemcy) (rys. 8.11). a) b) Rys Stanwisk d badań kalrymetrycznych: a) gólny widk zestawu urządzeń; b) kalrymetr DSC 404C Pegasus (Instytut Odlewnictwa, Kraków) Celem badań była rejestracja sekwencji punktów przemian fazwych w dświadczalnych siluminach tłkwych (bezniklwych raz tych z niklem) i na tej pdstawie identyfikacja pdstawwych elementów składwych ich mikrstruktury. Kalrymetr DSC 404C Pegasus sterwany jest za pmcą prgramu Prteus, z przyjaznym interfejsem, pracującym w śrdwisku MS Windws. Pdstawwe parametry raz warunki pmiarwe pracy kalrymetru są następujące [128, 529]: maksymalna pjemnść krundweg tygielka (Al 2 O 3 ): 85 l; atmsfera chrnna: próżnia wstępna i atmsfera bjętna (Ar); szybkść nagrzewania/studzenia: k. 5 K/min; tryb pracy: prgramwanie segmentów pmiarwych; kreślenie temperatury pczątku, punktu przegięcia raz kńca efektu cieplneg; autmatyczne pszukiwanie pików; efekty cieplne przejść: kreślenie pwierzchni piku (entalpii) dla wybranej bazwej linii raz cząstkwej pwierzchni piku; kreślenie parametrów prcesu krystalizacji. Badania kalrymetryczne prwadzne były na małych próbkach pbranych z prętów próby wytrzymałściwej dświadczalnych siluminów. 114

116 9. Synteza bezniklwych siluminów tłkwych ( ) inżynieria nie plega na dsknałych rzwiązaniach; sprwadza się d siągnięcia najlepszych rezultatów za pmcą granicznych śrdków ( ) Pausch R. & Zaslw J.: Ostatni wykład Wyd. Nwa Prza, Warszawa Przeprwadzna w rzdziałach 1 6 analiza stanu zagadnienia, pzwala na pdjęcie działań mających na celu pracwanie (prjektwanie, syntezę) bezniklwych siluminów tłkwych. Pdstawwym bwiem zadaniem pstawinym w pracy (vide rzdział 1) jest pracwanie (zaprjektwanie) nwych czy raczej udsknalenie istniejących za granicą analgów teg typu stpów, pprzez zbliżenie ich pdstawwych fizykchemicznych i eksplatacyjnych właściwści d pdbnych wielkści dpwiadających znrmalizwanym siluminm typu tłkweg z niklem. Isttne nvum stanwi natmiast włączenie d prcedur matematyczneg mdelwania i ptymalizacji kmpleksu parametrów związanych ze stabilnścią wymiarwą Pdstawwe wyjściwe parametry syntezy W pdrzdziale 7.1 kreśln wielkści wejściwe X i biektu badań (bezniklweg siluminu tłkweg), którymi są pdstawwe elementy składu chemiczneg. Następnie scharakteryzwan wyjściwe, kntrlwane parametry Y k, które były wybrane na pdstawie następujących przesłanek: a) analizy gólnych warunków pracy tłków silników spalinwych (pdrzdział 6.1); b) specyfikacji ważniejszych fizykchemicznych właściwści, charakteryzujących dprnść twrzywa tłkweg w stsunku d występujących w kmrze spalania statycznych i dynamicznych ciepln-mechanicznych bciążeń (pdrzdział 6.2); c) nrmatywnych wymagań, w dniesieniu d tłków ze stpów aluminium (punkt 6.2.4); d) mżliwści aparaturwych raz racjnalnści zastswań kreślnych metd badawczych w zależnści d pstawineg zadania (rzdział 8). W szczególnści są t: 350 C twardść na grąc HB 10/2452/1h, jak przyspieszny wskaźnik żarwytrzymałści siluminów tłkwych dpwiednik czaswej granicy wytrzymałści na długtrwałe bciążenia R z/ /t w pdwyższnej temperaturze; wytrzymałść na rzciąganie R m, będąca znrmalizwaną charakterystyką wytrzymałści stpu w próbie rzciągania w temperaturze pkjwej wynikającą z dpwiednich nrm materiałwych raz knstrukcyjnych dla tłków; 350 C wydłużenie względne A5 w pdwyższnej temperaturze (350 C), stanwiące pśrednią charakterystykę dprnści siluminu tłkweg na zmęczenie cieplne, tj. zdlnści d przeciwdziałania pwstawaniu i prpagacji pęknięć w warunkach ddziaływania niskcyklicznych bciążeń cieplnych; twardść HB cenianą spsbem Brinella, jak gólnie wymagany parametr jakści twrzywa tłkweg, pżądane wartści któreg kreślają nrmy materiałwe i knstrukcyjne dtyczące tłków silników spalinwych; 115

117 C techniczny liniwy współczynnik rzszerzalnści cieplnej α tech, charakteryzujący średnie dwracalne zmiany wymiarwe tłka ze stpu aluminium, w najbardziej typwym zakresie temperatury ( C) jeg pracy; 300 C fizyczny liniwy współczynnik rzszerzalnści cieplnej α fiz, będący parametrem kntrlującym pzim chwilwych dwracalnych zmian wymiarwych siluminów tłkwych, w krytycznej ze względu na mżliwść pjawienia piku na krzywej dylatmetrycznej temperaturze 300 C; 500 C trwałe zmiany wymiarwe, kreślane jak względne zmiany bjętści (ΔV/ V ) i/lub długści (Δl/ l ) 500 C h dświadczalnych stpów tłkwych, pddanych iztermicznemu wygrzewaniu w temperaturze 500 C przez 100 gdzin. Na pdstawie przeprwadznej w rzdziale 6 analizy danych literaturwych przyjmuje się, że: a) fizykchemiczne parametry, takie jak: gęstść, przewdnść i pjemnść cieplna, dprnść krzyjna; b) eksplatacyjne charakterystyki: dprnść na ścieranie, współczynnik tarcia w parze z żeliwną tuleją cylindrwą, a także c) technlgiczne właściwści: dlewnicze raz dtyczące bróbki ubytkwej bezniklwych siluminów nie będą się isttnie różniły d pdbnych parametrów dla siluminów tłkwych z niklem. Dlateg też pstanwin nie włączać ich d prcesów syntezy (mdelwania i ptymalizacji). Były ne natmiast częściw jakściw-ilściw kntrlwane i prównywane (d stpów dniesienia) pdczas dlewania i bróbki ubytkwej, a także kmpleksw ceniane w teście silnikwym (vide pdrzdział 11.2) Mdelwanie matematyczne W celu pwiązania wielkści wejściwych X 1 (Si), X 2 (Cu), X 3 (Mg), X 4 (Mn) i X 5 (Fe) z wyjściwymi parametrami Y k wyspecyfikwanymi w punkcie 9.1, zstał wybrany a priri nieliniwy mdel matematyczny w pstaci wielmianu: B B X B X... B X Y k 0 B 12 1 X 1 1 X 2 2 B 13 2 X 1 X B 45 X B11X 1 B22 X 2... B55 X 5, gdzie: B 0 wyraz wlny; B 1, B 2,, B 5 współczynniki przy czynnikach liniwych; B 12, B 13,, B 45 współczynniki przy pdwójnych efektach (interakcjach); B współczynnik przy prstej multiplikacji wszystkich czynników wejściwych raz B 11, B 22,, B 55 współczynniki przy efektach drugieg stpnia. Mdel 9.1 jest wielmianwym równaniem regresji drugieg stpnia, uzupełninym człn B X 1 X 2 X 3 X 4 X 5, na wprwadzenie któreg pzwalał minimalny stpień ( 1) swbdy, tj. różnica pmiędzy ilścią eksperymentów (23) a liczbą estymwanych współczynników (22 z uwzględnieniem ddatkweg człnu). Przy wstępnej statystycznej bróbce danych zauważn, że wprwadzenie ddatkweg elementu mdelu pprawia niejednkrtnie znacząc stpień dpaswania wektra eksperymentalnych wielkści wyjściwych Y k w dniesieniu d ich bliczeniwych z mdelu (9.1) dpwiedników. Mżliwści takieg elastyczneg kształtwania pstaci mdelu matematyczneg daje autmatyczna bróbka danych dświadczalnych, z wykrzystaniem pakietu Regresja wielkrtna prgramu STATISTICA PL [100, 415]. Pmiędzy rzeczywistymi (Si, Cu, Mg, Mn i Fe w % wag.) a kdwanymi (X 1, X 2,, X 5 ) wartściami wielkści wejściwych zgdnie z przyjętym planem dświadczeń (vide tabela 7.1) istnieją następujące zależnści nrmwania [234, 237]: 4 X 5 B X 1 X 2 X 3 X 4 X h (9.1)

118 Si 10,5 X 1 ; Cu 2,5 X 2 ; Mg 1, 0 Mn 0,6 Fe 0,7 X 3 ; X 4 ; X 5. (9.2) 2,0 1,0 0,5 0,3 0,4 W rzpatrywanej tutaj sytuacji badawczej wszystkie wielkści wejściwe X i (i = 5) mają jednakwą naturę, dpwiadającą kreślnej zawartści ddatku stpweg. W gólnym natmiast przypadku, wejściwe wielkści mdelu mgą mieć różne jednstki miary (miana); w tych warunkach współczynniki B i, B ij, B ii (znaczane generalnie jak B vide rys. 9.3) nie mgą być ze sbą bezpśredni prównywane w celu ustalenia względnej ważnści dla pszczególnych cech w mdelu. Ażeby mieć taką spsbnść, należy przeprwadzać tzw. standaryzację wektra wejść i wyjść, zgdnie z zależnściami [100]: X i ( X i X i ) / S, X i Y k ( Yk Yk ) / S ; (9.3) Y k gdzie: X i i Y k dpwiedni zmienne wejściwe (w wielkściach kdwanych bądź rzeczywistych) raz parametry wyjściwe (zazwyczaj w wielkściach rzeczywistych); X i i Y i ich średnie wartści; S X i S i Y standardwe dchylenia i-tej zmiennej wejściwej X k raz k-tej zmiennej wyjściwej Y. Standaryzacja wielkści wejściwych i wyjściwych prwadzi d równania regresji w pstaci: Y k β1x 1 β2 X 2... β X 5 5 β12 X 1X 2 β13x 1X 3... β45 X 4 X 5 β12345 X 1X 2 X 3X 4 X 5 (9.4) β X β X... β X, w którym współczynniki i, ij, Bii (znaczane w knach prgramu STATISTICA PL jak: beta lub BETA vide rys. 9.2 i 9.3) nazywane są standaryzwanymi (znrmalizwanymi) cząstkwymi współczynnikami regresji i są liczbami niemianwanymi [100, 415]. Znając standaryzwane współczynniki łatw jest bliczyć zwykłe współczynniki, stsując następujące przekształcenie [100]: B β S / S ). Odejmwanie w trakcie i i 11 1 ( Y k X i standaryzacji zgdnie z wyrażeniami (9.3) bserwwanych wielkści d ich średniej wartści nazywane jest centrwaniem (ang. centering); pwduje n przesunięcie układu współrzędnych tak, aby funkcja regresji przecinała jeg pczątek, stąd: β 0 = 0. Najważniejsze etapy budwania aprksymująceg wielmianu, związane z estymacją metdą najmniejszych kwadratów statystycznie isttnych współczynników B (i/lub ) wielmianwych równań regresji, dla rzpatrywanej wielkści wyjściwej Y k, pkazan na przykładzie danych dświadczalnych dtyczących wytrzymałści R m w próbie rzciągania w temperaturze pkjwej. Punktem wyjścia był zestawienie (vide tabela 9.1) w wyjściwym arkuszu prgramu STATISTICA PL wersji 5 (vide rys. 9.1) uśredninych, na pdstawie 3 4 pmiarów jednrdnych próbek, wyników znaczeń R m dla pszczególnych numerów eksperymentów (wytpów), zgdnie z planem dświadczeń. Statystyczne bliczenia wyknywan w dniesieniu d kdwanych wielkści wejściwych (vide rys. 9.1), w celu ułatwienia w dalszej klejnści analizy prównawczej wpływu pszczególnych pierwiastków (ddatków stpwych) w zakreślnych planem zakresach ich zawartści na badaną wielkść wyjściwą Y k (vide punkt 9.2.2). Wynik Nr 23, pdany w zestawieniu na rysunku 9.1, stanwi średnią arytmetyczną z trzech znaczeń R m w pdbnych eksperymentach Nr 23, 24 i 25. Uruchmienie na pasku stanu prgramu STATISTICA PL pcji Analiza danych pzwalał przystąpić d statystycznej bróbki zestawinych danych; na ekranie kmputera pjawiał się wówczas kn, jak na rysunku

119 Rys Wyjściwe kn mdułu Regresja wielkrtna pakietu STATISTICA PL dla Y k = R m : klumny 1 5 plan eksperymentu; klumny 6 11 przewidywane efekty współdziałania pmiędzy wielkściami wejściwymi X i (i =5); klumny efekty drugieg stpnia; klumna 22 wyniki znaczeń R m Rys Wyniki regresji wielkrtnej dla badanej wielkści wyjściwej (R m ) Pszukiwania mdelu matematyczneg, z wykrzystaniem pcji Analiza danych, prwadzne były d mmentu uzyskania w knie dialgwym Wyniki regresji wielkrtnej (rys. 9.2) tylk isttnych estymwanych współczynników beta, czym świadczyły pdświetlne na czerwn wartści przy dpwiednich człnach wielmianu, dla wybraneg pzimu ufnści Alfa (w rzpatrywanym przykładzie równym 0,05). Z przytczneg przykładu wynika na przykład, że dla R m wartść współczynnika przy multiplikacji X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 jest statystycznie nieisttna. Naciśnięcie klawisza Pdsumwanie regresji (w lewym dlnym rgu kna rys. 9.2) przywłuje pkazany na rysunku 9.3 arkusz isttnych współczynników równania regresji tak w dniesieniu d standaryzwanych (znrmalizwanych) wartści β [BETA (beta)] 2. klumna), jak i d rzeczywistych wartści B 4. klumna. Niskie wartści prawdpdbieństwa p dla pszczególnych współczynników pniżej przyjęteg pzimu ufnści = 0,05 świadczą ich statystycznej isttnści (vide rys. 9.3) raz adekwatnści pisu przez dany mdel (aprksymujący wielmian) eksperymentalnych danych (p = 0,000003, vide rys. 9.2). Bliskie jednści wartści współczynników R, R 2 i R 2 ppraw (rysunki 9.2 i 9.3) wskazują na dbry stpień dpaswania mdelu w stsunku d eksperymentalnych danych, c ptwierdza również prównanie b- 118

120 serwwanych i przewidywanych wartści na rysunku 9.4 (klumny: 2. i 3.), uzyskane p naciśnięciu w knie dialgwym Wyniki regresji wielkrtnej przycisku Analiza reszt (vide rys. 9.2). Rys Okn Pdsumwanie regresji dla wielkści wyjściwej R m Rys Okn Wartści przewidywane i reszty dla wielkści wyjściwej (zmiennej zależnej) R m Ostatecznie, na pdstawie przeprwadznej statystycznej bróbki eksperymentalnych danych, mżna zapisać pszukiwaną zależnść, wiążącą skład chemiczny z wytrzymałścią R m, w pstaci: Y( R ) 212,8444 6,0700X 6,4444X m 3,1125X X 1 5,1525X X ,2275X X 1 2,7688X X 3 5 5,5563X 5 5,3500X 2 2 6,3875X X 3,2000X X X 5,0000X ,3000X 2 4 2, R 0, 973 (9.5) d której mgą być wprwadzne wartści rzeczywistych zawartści Si, Cu, Mg, Mn i Fe w prcentach wagwych, p uwzględnieniu zależnści nrmwania (9.2). W tabeli 9.1 zestawine zstały, zgdnie z planem dświadczeń, uśrednine wartści dla wszystkich kntrlwanych wielkści wyjściwych (parametrów) Y k. Z klei w tabelach 9.2 i 9.3 zgrupwan kńcwe wyniki statystycznych bliczeń (estymacji) isttnych współczynników B raz (beta) dla badanych wielkści Y k, pdbnych d tych wyknanych w dniesieniu d R m. W dlnych częściach tabel pdan ddatkw charakterystyki 119

121 Tabela 9.1. Zestawienie uśredninych parametrów wyjściwych Yk, dla eksperymentalnych bezniklwych siluminów tłkwych zgdnie z planem dświadczeń Nr wytpu (dświadczenia) Plan dświadczeń B a d a n e w y j ś c i w e p a r a m e t r y Yk X1 X2 X3 X4 X5 350 C HB 10/2452/1h R m 350 C A HB 5 α 20 tech 300 C α 300 fiz C (Δ / l 500 C 500 C l 0 ) 100 h (Δ V / V 0 ) 100 h Si Cu Mg Mn Fe [HB] [MPa] [%] [HB] [K -1 ] [K -1 ] [%] [%] ,5 1,5 0,5 0,9 1,1 10,8 213,6 7,87 95,3 22,2 24,1 0,0960 0, ,5 1,5 0,5 0,3 1,1 11,7 162,1 8,15 94,6 21,0 22,6 0,0052 0, ,5 1,5 1,5 0,3 1,1 12,2 201,2 7,53 95,5 22,4 26,2 0,0181 0, ,5 1,5 1,5 0,9 1,1 13,0 174,9 6,04 99,9 20,5 22,2 0,0128 0, ,5 3,5 0,5 0,9 0,3 11,3 220,0 5,16 96,6 22,0 24,2 0,0406 0, ,5 3,5 0,5 0,3 0,3 13,3 214,4 5,80 105,1 20,7 22,0 0,0502 0, ,5 3,5 1,5 0,3 0,3 13,3 209,2 6,46 91,7 21,6 25,1 0,0436 0, ,5 3,5 1,5 0,9 0,3 12,0 203,3 4,87 102,3 20,4 23 0,0472 0, ,5 3,5 0,5 0,3 1,1 13,8 212,4 3,95 98,8 21,6 23,8 0,0067 0, ,5 3,5 0,5 0,9 1,1 14,9 207,3 4,31 108,1 20,7 22,0 0,0118 0, ,5 3,5 1,5 0,9 1,1 13,1 208,7 4,76 102,6 21,2 23,4 0,0360 0, ,5 3,5 1,5 0,3 1,1 14,1 177,7 4,50 102,4 20,9 24,5 0,0106 0, ,5 2,5 1,0 0,6 0,7 13,1 219,1 5,03 96,6 21,8 23,6 0,0183 0, ,5 2,5 1,0 0,6 0,7 12,4 206,0 5,43 104,1 20,5 22,5 0,0181 0, ,5 1,5 1,0 0,6 0,7 12,4 209,3 8,55 98,5 21,6 24,6 0,0145 0, ,5 3,5 1,0 0,6 0,7 11,8 217,9 4,50 100,4 21,2 22,6 0,0140 0, ,5 2,5 0,5 0,6 0,7 10,6 204,7 12,88 98,9 21,1 22,5 0,0099 0, ,5 2,5 1,5 0,6 0,7 14,0 205,1 5,82 103,5 21,9 23,9 0,0113 0, ,5 2,5 1,0 0,3 0,7 12,0 203,0 8,83 99,3 21,7 23,7 0,0271 0, ,5 2,5 1,0 0,9 0,7 11,9 200,2 6,27 103,4 20,7 22,2 0,0079 0, ,5 2,5 1,0 0,6 0,3 13,0 222,1 5,21 98,6 21,2 24,4 0,0373 0, ,5 2,5 1,0 0,6 1,1 13,3 208,6 5,17 100,5 21,0 22,8 0,0067 0, ,5 2,5 1,0 0,6 0,7 12,5 212,8 4,91 102,4 21,2 22,9 0,0231 0,0990

122 Tabela 9.2. Zestawienie isttnych rzeczywistych współczynników B mdeli matematycznych (wielmianwych równań regresji) dla badanych wielkści wyjściwych Yk Współczynniki przy zmiennych 350 C HB 10/2452/1h R m B a d a n e w y j ś c i w e p a r a m e t r y Yk 350 C A HB C 300 C α tech α fiz (Δ / l 500 C 500 C l 0 ) 100 h (Δ V / V 0 ) 100 h [HB] [MPa] [%] [HB] [K -1 ] [K -1 ] [%] [%] Wyraz wlny 12, ,8444 5, , , , , , X1 *) 6,0700 3,5700 0, ,61000 X2 6,4444 1, ,2490 0, , , X3 1, , ,3000 0, ,50714 X4 1, ,7026 0, , , , X5 0, ,3500 0, , , , , X1X2 0, ,23250 X1X3 0, ,1125 0, ,7592 0, ,38250 X1X4 1, , ,5750 0, , X1X5 0, ,2275 1,9475 0, , , , X2X3 1, ,5563 3, ,5000 0, , X2X4 0, ,2000 1, , , , X2X5 0, ,0386 0, , X3X4 0, ,1525 0,6975 0, , X3X5 1, ,7688 3, ,8500 0, , , X4X5 6,3875 1, , , X1X2 X5 6, , , X1 2 0,43512 X2 2 1, ,1712 0, ,62340 X3 2 5,0000 4, , , , X4 2 0, ,3000 2, , X5 2 0, , , R 0,983 0,986 0,990 0,984 0,998 0,997 0,987 0,891 R 2 0,966 0,973 0,980 0,968 0,997 0,994 0,973 0,793 R 2 ppraw 0,908 0,941 0,945 0,929 0,988 0,986 0,951 0,650 Alfa (α) 0,10 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 *) znacza, że wielkść liczbwa współczynnika dla daneg człnu aprksymująceg wielmianu jest nieisttna, przy przyjętym pzimie ufnści Alfa (α)

123 Tabela 9.3. Zestawienie isttnych standaryzwanych (znrmalizwanych) współczynników mdeli matematycznych (wielmianwych równań regresji) dla badanych wielkści wyjściwych Yk Współczynniki (beta) 350 C HB 10/2452/1h R m B a d a n e w y j ś c i w e p a r a m e t r y Yk 350 C A HB C 300 C α tech α fiz (Δ / l 500 C 500 C l 0 ) 100 h (Δ V / V 0 ) 100 h [HB] [MPa] [%] [HB] [K -1 ] [K -1 ] [%] [%] X1 *) 0,330 0,739 0,970 0,440 X2 0,341 0,600 0,252 0,290 0,680 0,250 X3 1,270 1,400 0,476 0,561 0,369 X4 0,500 0,352 0,700 0,500 0,289 0,252 X5 0,140 0,280 0,200 0,070 0,600 0,701 0,643 X1X2 0,242 0,302 X1X3 0,290 0,156 0,284 0,150 0,552 0,257 X1X4 0,880 1,190 0,490 0,680 0,200 X1X5 0,329 0,410 0,370 0,205 0,110 0,210 0,197 X2X3 1,200 0,280 1,350 0,670 0,670 0,360 X2X4 0,280 0,161 0,392 0,568 0,224 0,410 X2X5 0,662 0,379 0,505 0,260 X3X4 0,208 0,260 0,130 0,410 0,370 X3X5 1,100 0,140 1,220 0,350 0,600 0,220 0,250 X4X5 0,321 0,413 0,438 0,170 X1X2 X5 1,670 0,349 0,130 X1 2 0,203 X2 2 0,338 0,150 0,213 0,283 X3 2 0,170 1,030 0,301 0,102 0,450 X4 2 0,170 0,280 0,589 0,600 X5 2 0,391 0,283 0,520 R 0,983 0,986 0,990 0,984 0,998 0,997 0,987 0,891 R 2 0,966 0,973 0,980 0,968 0,997 0,994 0,973 0,793 R 2 ppraw 0,908 0,941 0,945 0,929 0,988 0,986 0,951 0,650 Alfa (α) 0,10 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 *) znacza, że wielkść liczbwa współczynnika dla daneg człnu aprksymująceg wielmianu jest nieisttna, przy przyjętym pzimie ufnści Alfa (α)

124 miar dpaswania (R, R 2 i R 2 ppraw) wielmianwych mdeli d danych eksperymentalnych, dla wybraneg pzimu ufnści (w większści przypadków równeg = 0,05; jedynie dla twardści na grąc HB lepsze dpaswanie uzyskan przy = 0,10). 350 C We 10/2452/1h wszystkich przypadkach bserwwan zadwalający stpień pisu zestawów eksperymentalnych danych za pmcą aprksymujących wielmianów. Z analizy miar dpaswania 350 C wynika przykładw, że liniwe trwałe dkształcenia [(Δ l / l ) ] znacznie lepiej mde- 500 C lwane są matematycznie, aniżeli ich bjętściwe [(ΔV/ V ) ] dpwiedniki Quasi-jednczynnikwy mdel raz jeg graficzna prezentacja Zestawine w tabeli 9.2 mdele matematyczne, pmim usunięcia z nich nieisttnych statystycznie współczynników, nadal są stsunkw złżne i nie pzwalają na ich bezpśrednią analizę raz interpretację na intuicyjnym pzimie. W tym celu knieczne jest przeprwadzenie pewnych uprszczeń i przekształceń. W gólnym przypadku równanie regresji (9.1) mże maksymalnie zawierać 22 człny, włączając w t wyraz wlny raz ddatkwy multiplikatywny element B X 1 X 2 X 3 X 4 X 5. Prblem kmplikuje się między innymi z teg pwdu, że wielmianwe zależnści zawierają człny isttnych współczynnikach B ij, dpwiadające efektm interakcji niezależnych wejściwych czynników X i i X j (przy czym i j). Uwzględnienie w prgramie badawczym mżliwści ceny teg typu efektów pzwala jednak w knsekwencji na lepsze rzumienie fizykchemiczneg sensu badaneg systemu (układu) raz cenić właściwą mu dialektyczną sprzecznść [465]. Wiadm, że w wielskładnikwych stpach metali pszczególne ddatki stpwe przejawiają swój wpływ na badany parametr zarówn samdzielnie, jak też w rezultacie złżneg ddziaływania z innymi elementami składu chemiczneg. Ten drugi efekt dla daneg czynnika X i, mże być niekiedy znaczny, w zależnści d natury i pzimów zawartści pzstałych elementów składu chemiczneg, czeg knsekwencją jest pjawianie się w badanym układzie (stpie) kreślnych składników mikrstruktury (w szczególnści faz międzymetalicznych). Mając t na uwadze, prpnuje się analizwać wpływ wejściwych czynników X i na wyjściwe parametry Y k za pmcą tzw. quasi-jednczynnikwych mdeli typu [80, 233, 237, 465, 466]: W i X Y k Y X B B B X X B X, (9.6) h 100h 2 k{ i} 0 k ( i ij j ) i ii ii j gdzie: B 0k wyraz wlny, dzwierciedlający wpływ na badaną wielkść wyjściwą Y k wszystkich człnów wielmianu, pza włącznymi d quasi-jednczynnikweg mdelu; X i czynnik, któreg wpływ na Y k jest ceniany; B i, B ij, B ii dpwiedni współczynniki efektów liniwych, współdziałania (interakcji) raz drugieg stpnia, w których występuje X i. Mdel (9.6) dpwiada wielmianwemu równaniu 2-g stpnia i mże być łatw mdyfikwany, np. pprzez włączenie ddatkweg człnu B X 1 X 2 X 3 X 4 X 5, nie zmieniając przy tym jeg kwadratweg charakteru zależnści. Quasi-jednczynnikwy mdel, t w istcie fragment gólneg aprksymacyjneg wielmianu (9.1) zawierający jedynie te jeg elementy (statystycznie isttne), które dtyczą wpływu wielkści wejściwej X i na analizwaną wielkść wyjściwą Y k. Zależnść (9.6) w rzeczywistści pisuje całą rdzinę krzywych; wyróżnia się przy tym: centralną j i( X j 0) Bij X j 0 j 123

125 raz dwie graniczne: j i ( X j 1) Bij Xj 0 i j j i ( X j 1) Bij Xj 0 parable. j i i j ij j ii Z zależnści (9.6) wynika, że ekstremum (minimum bądź maksimum) parabli wypada ext w punkcie: X 0,5( B B X ) / B.W przypadku zerwych wartści współczynni- X i ków B ii quasi-jednczynnikwy mdel W ma charakter funkcji liniwej [80, 465, 466]. Y k Na rysunku 9.5 pkazan wykres, stanwiący gólny schemat graficznej interpretacji quasi-jednczynnikweg mdelu. Zakreskwane pinwymi przerywanymi liniami ple na wykresie dpwiada, zgdnie z wyrażeniem (9.6), zakresm wszystkich mżliwych parabl, przy różnych prprcjach pmiędzy wielkściami X i i X j (dla wszystkich j i). Zacieniwany bszar wskazuje z klei gólną tendencję wpływu X i (d 1 d +1) na badaną wielkść wyjściwą Y k, niezależnie d pzimów pzstałych wielkści wejściwych X j (j i). Centralna przerywana linia charakteryzuje natmiast wpływ X i na Y k, kiedy wszystkie inne zmienne wejściwe X j są na średnim pzimie swich wartści (tj. wówczas gdy: j i X j = 0). Rys Graficzna interpretacja quasi-jednczynnikweg mdelu [80, 233, 234, 465, 466] Wykresy quasi-jednczynnikweg wpływu ddatków stpwych na wyjściwe kntrlwane parametry bezniklwych siluminów tłkwych raz ich analiza Wykresy quasi-jednczynnikweg wpływu Zgdnie z ideą zaprezentwaną w punkcie 9.2.1, każdy mdel matematyczny w tabeli 9.2 pddany zstał bróbce (uprszczeniu i przekształceniu), w celu zbudwania quasijednczynnikwych mdeli W X i Y, dpwiadających wpływm Si, Cu, Mg, Mn i Fe na k wyjściwe (kntrlwane) parametry Y k. Wykrzystując standardwe prgramwanie Micrsft Excel 2003, pracwana zstała specjalna prcedura (prgram), przekształcająca dpwiednie quasi-jednczynnikwe mdele w płaskie wykresy. Wyniki tych prac zestawine zstały na rysunkach

126 Rys Wykresy quasi jednczynnikweg wpływu zawartści krzemu, miedzi, magnezu, manganu i żelaza w wielkściach kdwanych raz rzeczywistych (w % wag.) na długtrwałą (1 h) 350 C twardść na grąc HB 10/2452/1h 125

127 Rys Wykresy quasi jednczynnikweg wpływu zawartści krzemu, miedzi, magnezu, manganu i żelaza w wielkściach kdwanych raz rzeczywistych (w % wag.) na wytrzymałść w próbie rzciągania R m w temperaturze pkjwej 126

128 Rys Wykresy quasi-jednczynnikweg wpływu zawartści krzemu, miedzi, magnezu, manganu i żelaza w wielkściach kdwanych raz rzeczywistych (w % wag.) na wydłużenie 350 C względne A w próbie rzciągania w temperaturze 350 C 5 127

129 Rys Wykresy quasi jednczynnikweg wpływu zawartści krzemu, miedzi, magnezu, manganu i żelaza w wielkściach kdwanych raz rzeczywistych (w % wag.) na twardść Brinella HB (30 s) w temperaturze pkjwej 128

130 Rys Wykresy quasi jednczynnikweg wpływu zawartści krzemu, miedzi, magnezu, manganu i żelaza w wielkściach kdwanych raz rzeczywistych (w % wag.) na techniczny współczynnik rzszerzalnści cieplnej C α tech 129

131 Rys Wykresy quasi jednczynnikweg wpływu zawartści krzemu, miedzi, magnezu, manganu i żelaza w wielkściach kdwanych raz rzeczywistych (w % wag.) na fizyczny współczynnik rzszerzalnści cieplnej α w temperaturze C C 130 fiz

132 Rys Wykresy quasi jednczynnikweg wpływu zawartści krzemu, miedzi, magnezu, manganu i żelaza w wielkściach kdwanych raz rzeczywistych (w % wag.) na trwałe zmiany 500 C wymiarwe [zmiany długści (Δl/ l ) ] w wyniku iztermiczneg wygrzewania 0 100h 131

133 Rys Wykresy quasi jednczynnikweg wpływu zawartści krzemu, miedzi, magnezu, manganu i żelaza w wielkściach kdwanych raz rzeczywistych (w % wag.) na trwałe zmiany 500 C wymiarwe [zmiany bjętści (ΔV/ V ) ] w wyniku iztermiczneg wygrzewania h

134 Analiza wykresów quasi-jednczynnikweg wpływu 10/2452/1h Z wykresów na rysunku 9.6 wynika, że gólna tendencja wzrstwa długtrwałej (1 h) 350 C twardści na grąc HB występuje jedynie w przypadku ddatków magnezu. Szerkie zakreskwane ple, na wykresie quasi-jednczynnikweg wpływu, świadczy dużych efektach interakcji Mg z innymi pierwiastkami. Mgą ne zarówn wzmacniać pzytywny efekt magnezu, jak też g słabiać. Tłumaczy t m.in. dlaczeg, w tak złżnej sytuacji prblemwej, knieczna jest ptymalizacja badaneg układu (vide pdrzdział 9.3). 350 C Samdzielne ddziaływania miedzi, manganu i żelaza na HB są natmiast nieznacz- 10/2452/1h ne, inne niż te bserwwane w pdwójnych stpach z aluminium (vide rys. 3.5). W wielskładnikwym układzie działanie tych metali będzie uzależnine d pzimów zawartści innych elementów składu chemiczneg. W tym aspekcie, pdwyższenia długtrwałej twardści na grąc mżna czekiwać głównie d ddatków miedzi i żelaza (stsunkw duże zakreskwane bszary interakcji na wykresach quasi-jednczynnikweg wpływu), w mniejszym stpniu d becnści manganu. Zachwanie krzemu w badanych siluminach, chciaż w większych zakresach jeg zawartści (8,5 12,5%), dpwiada przebiegwi pdanemu na rysunku 3.5 dla układu Al-Si. Uzyskany rezultat w przypadku miedzi p części ptwierdzają wyniki pracy V.Yu. Chernva i in. [73]; pkazali w niej ni, na bazie przeprwadznych eksperymentów, że siluminy tłkwe AЛ25 (AlSi12Cu2,25Mg1- Ni1) i AЛ30 (ASi12Cu1Mg1Ni1) mają pdbne krzywe pełzania, niezależnie d różnic w zawartściach miedzi. Pdwyższenia żarwytrzymałści siluminów d ddatków żelaza mżna spdziewać się raczej przy wyższych jeg ilściach (pwyżej 0,7%), kiedy t mżliwe jest zbudwanie wzdłuż granic ziaren α Al - rztwru stałeg ciągłeg szkieletu, złżneg m.in. z międzymetalicznych faz żelaza, blkująceg ruch dyslkacji w pdwyższnej temperaturze. Przeprwadzne badania długtrwałej twardści na grąc ptwierdzają na przykładzie magnezu słusznść pczyninej w pdrzdziale 3.2 uwagi, iż nie należy d razu drzucać tych pierwiastków, jak ptencjalnych ddatków stpwych, które nie spełniają w dstatecznym stpniu warunków kryterium temperatury τ (3.5) zgdnie z zasadami klasycznej syntezy żarwytrzymałych i/lub żardprnych stpów [147, 148, 405]. Należy bwiem ddatkw brać pd uwagę mżliwść twrzenia przez nie w złżnych układach umacniających faz międzymetalicznych. W przypadku stpów aluminium, w dniesieniu d magnezu, mgą t być na przykład fazy na bazie związków: Al 8 Mg 5, Mg 2 Si, Al 2 CuMg, Al 5 SiMg 8 Cu 2 i inne vide tabela 3.1). Charakter wpływu badanych ddatków stpwych na wytrzymałść R m w próbie rzciągania, w temperaturze pkjwej (rys. 9.7) jest w zasadzie zgdny ze znanymi z literatury przebiegami. Szczegółwa analiza quasi-jednczynnikwych mdeli dtyczących R m zaprezentwana zstała w publikacjach [231, 237], m.in. z udziałem autra niniejszeg pracwania. W pracach tych przeprwadzn analizę wpływu ddatków stpwych również w układach dwuczynnikwych, na przykład dla funkcji: R m = 1 (Cu, Mg) i R m = 2 (Si, Mg). Graficzną interpretację tych rzważań, prezentują przykładw wykresy warstwicwe a i b na rysunku We wszystkich rzważanych przypadkach pzimy pzstałych ddatków stpwych, nie pdlegających analizie, miały średnie wartści swich zawartści zgdnie z planem dświadczeń. Przebieg izlinii na rysunku 9.14a pkazuje, że w układzie Al-Si-Mg decydujący wpływ na R m ma krzem; większej jeg zawartści dpwiada mniejsza wytrzymałść. Taki charakter wpływu krzemu jest typwy w przypadku niemdyfikwanych siluminów [155, 198]; analizwane tutaj bezniklwe siluminy również nie pdlegały teg typu zabiegm (vide pdrzdział 7.4); natmiast mdyfikwane sdem lub strntem stpy układu Al-Si d zakresów Si lekk nadeutektycznych 133

135 wykazują dwrtny wzrastający przebieg [155, 198, 234, 276]. Z wykresu na rysunku 9.14a wynika pnadt, że zarówn niższe, jak i wyższe zawartści magnezu sprzyjać będą bniżeniu wytrzymałści R m. Z uwagi na rzpatrywany parametr należy utrzymywać je w ptymalnym zakresie zawartści: d 0,7 d 1,1%, c dpwiada najczęściej zalecanym w nrmach pzimm. Z klei z warstwicweg wykresu pkazaneg na rysunku 9.14b widać, że wzrst ilści miedzi w stpach w całym badanym zakresie (1,5 3,5%) sprzyja większej ich wytrzymałści. Pżądane zawartści magnezu, dla rzpatrywaneg układu Al-Cu-Mg, mieszczą się w pdbnych jak wcześniej granicach; przy czym im mniej Cu jest w bezniklwym siluminie, tym większa zawartść Mg będzie wymagana, z uwagi na jeg dpwiedni pzim wytrzymałści (R m ). a) b) Rys Wykresy warstwicwe zmian wytrzymałści na rzciąganie R m, badanych bezniklwych siluminów typu tłkweg, w zależnści d zawartści: a) krzemu i magnezu raz b) miedzi i magnezu (strzałki na wykresach wskazują kierunek wzrstu wytrzymałści) Zaprezentwane na rysunku 9.14 przebiegi zmian R m gemetrycznie, jak też w zapisie matematycznym pzwalają na kreślenie ptymalnych wartści stsunków Mg/Si i Mg/Cu w badanych siluminach, w zależnści d knkretnych pzimów zawartści w nich krzemu i miedzi (rys. 9.15). a) b) Rys Wielkść ptymalneg z uwagi na wytrzymałść R m stsunku: a) Mg/Si i b) Mg/Cu w badanych bezniklwych siluminach [231] Zależnści pkazane na rysunku 9.15 nieźle krespndują z zaleceniami płynącymi w tym zakresie z japńskieg [169] i amerykańskich [240, 241, 433] pisów patentwych. Charakter krzywej na wykresie b rysunku 9.15 ptwierdza pnadt znany z literatury metalznawczej fakt, iż suma zawartści Cu i Mg (raz innych pierwiastków) w α Al - rztwrze stałym jest graniczna; wynika stąd, że przy wzrastających zawartściach Cu ilść wprwadzaneg Mg d rztwru stałeg aluminium pwinna być mniejsza. 134

136 Większść badanych ddatków stpwych, pza magnezem, pjedyncz w niewielkim tylk stpniu wpływa na wysktemperaturwą plastycznść bezniklwych siluminów tłkwych, czym świadczą: a) przebiegi śrdkwych linii quasi-jednczyn-nikweg wpływu, bliskie si rzędnych; b) duży bszar zakreskwanych pól; c) isttna wartść współczynnika B 12345, przy multiplikatywnym składniku (X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 ) równania regresji 350 C (vide tabele 9.2 i 9.3). Krzem nie wykazuje wpływu na A 5, natmiast pierwiastki takie jak miedź, magnez czy mangan tylk w dlnych zakresach zawartści (kreślnych planem dświadczeń) sprzyjają bniżaniu danej wielkści wyjściwej, by dalej nie kazywać 350 C specjalneg wpływu. Szczególnie silny spadek A 5 bserwuje się w przypadku magnezu, w zakresie zawartści d 0,5 d 0,8%; w najczęściej występujących ilściach teg pierwiastka w siluminach tłkwych (0,8 1,3%) zmiany te są niewielkie. Ddatki żelaza 350 C w spsób ciągły, jednak niezwykle słaby sprzyjają bniżeniu A5 w całym zakresie. Z danych zawartych w tabelach 9.2 i 9.3 wynika pnadt, że duży wpływ na rzpatrywaną tutaj wielkść wyjściwą mają pdwójne interakcje wielkści wejściwych: a) miedzi z manganem (X 2 X 4 ), b) magnezu z żelazem (X 3 X 5 ) raz c) krzemu z manganem (X 1 X 4 ), c mże być knsekwencją działania kreślnych składników strukturalnych (vide tabela 3.1). Więcej szczegółwych infrmacji, dtyczących badań wysktemperaturwej plastycznści raz pwiązania jej z dprnścią na zmęczenie cieplne, zawartych jest w pracach [52, 371]. Wynika z nich, że zależnść pmiędzy ilścią cykli bciążeń cieplnych (termicznych) d pjawienia się pierwszeg pęknięcia i wysktemperaturwą plastycznścią ma charakter zbliżny d liniweg (rys. 9.16). 350 C Rys Zależnść pmiędzy wysktemperaturwą plastycznścią A5 a ilścią cykli bciążeń cieplnych (wyznacznych eksperymentalnie N rzec raz teretycznie N ter ) d pjawienia się pierwszeg pęknięcia, dla wybranych dświadczalnych bezniklwych siluminów tłkwych raz prównawcz dla stpu typu AK12 (z niklem) [52] 350 C Należy mieć na uwadze, że ten typ pwiązania A5 z N rzecz dnsi się w zasadzie d rzpatrywanej tutaj pdgrupy bezniklwych siluminów (w dświadczeniach badan zmęczenie cieplne stpów Nr 7, 10, 14 i 17, a także prównawcz Nr 26). Obliczeniwe wartści N ter dtyczą bwiem zależnści (6.8), wyznacznej na pdstawie danych M. Röhrle [362] dla siluminów tłkwych z niklem. Tym niemniej, d wstępnej ceny eksperymentalnych stpów z uwagi na zdlnść d pracy w warunkach zmiennych bciążeń cieplnych, przyjęte uprszczenie uznać należy za dpuszczalne. Spśród bezniklwych siluminów, najlepszą dprnścią na zmęczenie cieplne wykazywał się stp Nr 17; nie ustępwał n znrmalizwanemu stpwi AK12 (Nr 26), chciaż plastyczne właściwści teg statnieg w pdwyższnej temperaturze były znacznie niższe. 135

137 W zasadzie wszystkie rzpatrywane ddatki stpwe gólnie sprzyjają wzrstwi krótktrwałej (30 s) twardści HB w temperaturze pkjwej. Zgdnie w quasi-jednczynnikwymi wykresami rysunku 9.9 raz mdelem matematycznym dla HB (vide współczynniki w tabeli 9.3), największy samdzielny wpływ na daną wielkść wyjściwą wykazuje krzem, a następnie w malejącym stpniu magnez, mangan raz miedź. O ile wzrst HB d ddatków krzemu, magnezu i manganu jest jednstajny, w badanych zakresach ich zawartści, t miedź sprzyja pdwyższeniu twardści tylk d k. 2,5%; zatem ten wzrst jest zależny d becnści innych pierwiastków głównie magnezu i żelaza. Zaskakujący, z punktu widzenia danych literaturwych (głównie w dniesieniu d pdwójnych stpów Al-Fe), jest brak samdzielneg wpływu żelaza na twardść HB w badanym układzie Al-Si-Cu-Mg-Mn-Fe. Z teg pwdu wart w tym miejscu dntwać, iż w trakcie badań zauważn stsunkw duży rzrzut w pjedynczych wynikach HB w stpach z większą ( 0,7%) zawartścią żelaza. Wynikać prawdpdbnie mgł t stąd, że jeżeli penetratr (wgłębnik) twardścimierza natrafiał bezpśredni na fazę międzymetaliczną zawierającą żelaz, t mierzna wielkść HB była wyższa niż w przypadku wypadania centrum pmiaru w bszarze α Al - rztwru stałeg i/lub eutektyki krzemwej (α Al + Si ). Ddatni bądź ujemny wpływ daneg pierwiastka (Fe) na twardść uzależniny był pnadt, w niemałym stpniu, d interakcji z pzstałymi elementami składu chemiczneg. Świadczą tym szerkie zakreskwane pla na wykresach rysunku 9.9 raz stsunkw duże wartści współczynników przy X i X j mdelu matematyczneg dla HB (vide tabele 9.2 i 9.3). Z ich analizy wynika, że duży wpływ na HB mają wzajemne ddziaływania żelaza z innymi ddatkami, w szczególnści (w nawiasach pdan dpwiadające im fazy): a) Cu i Fe (Al 7 Cu 2 Fe); b) Si i Fe [α- i (AlFeSi) fazy]. Jedncześnie w rzpatrywanym mdelu wartść współczynnika dla współdziałania Fe i Mn (X 4 X 5 ) jest statystycznie nieisttna. Mżna p części tłumaczyć t tym, że w niemałej ilści przypadków w składzie chemicznym dświadczalnych bezniklwych siluminów stsunek Mn : Fe przekraczał wartść 1,0 (maksymalnie był równy nawet 3,0), gdy w tym czasie dla większści znrmalizwanych siluminów dlewniczych jest n zazwyczaj bliski zeru lub nie przekracza granicy 0,4 (max. 0,6). Sprzyjał t twrzeniu bardziej zwartych wydzieleń faz żelaza, c przekładał się prawdpdbnie na bserwwany charakter ddziaływania żelaza na twardść. Z trzymanych matematycznych zależnści (vide tabele 9.2 i 9.3) raz wykresów na rysunku 9.9 wynika pnadt, że isttny wpływ na twardść w bezniklwych siluminach będą miały wzajemne ddziaływania: a) Cu i Mg (faza T i/lub S) raz b) Si i Mn [α- i (AlMn- Si) fazy]. Nieznaczneg pdwyższenia HB mżna czekiwać też d ddatków manganu w pwiązaniu z magnezem (isttny współczynnik przy X 2 X 4 ), pprzez pjawienie się w mikrstrukturze fazy międzymetalicznej na bazie związku Al 18 Mn 2 Mg 3. Charakter wpływu ddatków stpwych na techniczny współczynnik rzszerzalnści C cieplnej αtech badanych bezniklwych siluminach jest pdbny pza żelazem d teg, jaki ma miejsce w układach pdwójnych z aluminium (vide rys. 5.2) [6, 155, 233, 342, 446]. Największy wpływ na bniżenie rzpatrywaneg parametru wykazuje zgdnie z czekiwaniami krzem; w mniejszym stpniu mangan, a następnie miedź (vide rys C raz tabela 9.3). O ile bniżenie wartści współczynnika αtech przez ddatki krzemu i manganu w wyznacznych planem dświadczeń zakresach ich zawartści jest jednstajne, t działanie miedzi będzie najbardziej efektywne prawdpdbnie w dlnym ich przedziale (tj. d 1,5 d 2,5%); pwyżej 2,5% samdzielne działanie Cu pwinn być niewielkie. W przypadku magnezu, dpier jeg ilści pwyżej 1,0% gólnie będą sprzyjać znacznemu wzrstwi rzszerzalnści cieplnej; pniżej tej wartści działanie teg pierwiastka (Mg) nie pwinn być grźne. Nieznaczny wpływ żelaza na bniżenie współ- 136

138 C czynnika α tech mżna wytłumaczyć jedynie tym, że w wielskładnikwym stpie wchdzi n w skład związków międzymetalicznych, czym wspmnian już pdczas analizy HB. Duże bszary zakreskwanych pól na wykresach quasi-jednczynnikweg wpływu (vide rys. 9.10) dtyczą w zasadzie wszystkich badanych ddatków stpwych, c świadczy isttnści większści pdwójnych i wielkrtnych efektów współdziałania (interakcji vide tabela 9.3): X 1 X 4 (SiMn), X 2 X 3 (CuMg), X 2 X 4 (CuMn), X 3 X 5 (MgFe) czy X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 (SiCuMgMnFe). Ptwierdza t istnienie dstępstw d prawa addytywnści C w badanym układzie Al-Si-Cu-Mg-Mn-Fe względem rzszerzalnści cieplnej α tech, którym była mwa w pdrzdziale 5.2. Znacząceg ddziaływania manganu w kierunku bniżenie rzszerzalnści cieplnej mżna czekiwać w jeg wzajemnych relacjach z krzemem raz ddatkami (w ptymalnych prprcjach) miedzi i żelaza. Oczywiście, pewne niekrzystne skjarzenie elementów składu chemiczneg mże prwadzić również d wzrstu rzszerzalnści cieplnej bezniklwych siluminów. Ogólne tendencje wpływu rzpatrywanych ddatków stpwych na fizyczny współczynnik rzszerzalnści cieplnej w temperaturze 300 C, pkazane zstały na rysunku 9.11; C w zasadzie pkrywają się ne z tymi dla α ; wyjątek stanwi żelaz, któreg ddatki tech 300 C w danym przypadku sprzyjają wyraźnemu bniżeniu α fiz. Wzrst zawartści krzemu, miedzi i manganu również pwdwać będzie zmniejszenie wartści liczbwej teg parametru; przy tym krzem i mangan w spsób jednstajny, natmiast miedź i żelaz nieliniwy. Szczególnie intensywne bniżenie αfiz następuje w dlnych zakresach zawartści 300 C miedzi i żelaza; skala ddziaływania tych pierwiastków wydaje się być większa niż w przypadku manganu i krzemu. Zauważalneg wpływu magnezu na wzrst rzszerzalnści cieplnej, charakteryzwanej współczynnikiem α 300 C fiz, czekiwać należy przy jeg zawartściach pwyżej 1,0%; przy mniejszych ilściach jeg działanie będzie nieznaczne. 300 C Z wykresów rysunku 9.11 nietrudn zauważyć, że α w mniejszym stpniu, niż t miał C miejsce w przypadku α tech, zależy d efektów wzajemneg ddziaływania (mniejsze pwierzchnie zakreskwanych pól na wykresach quasi-jednczynnikweg wpływu) pszczególnych ddatków. Jest t efektem m.in. nieisttnej statystycznie wartści współczynnika raz mniejszej ilści efektów pdwójnych (vide tabela 9.3). Jakściwilściwa analiza pkazuje jednak, że wszystkie rzpatrywane ddatki stpwe w pewnym 300 C stpniu w interaktywnym ddziaływaniu na α. Pdkreślić również należy w tym miej- 300 C scu gólną pzytywną rlę manganu w zakresie mżliwści zmniejszania α fiz ; efekt ten wzmcnić mgą dbrane we właściwych prprcjach ddatki miedzi i/lub magnezu, czym świadczą niemałe (c d bezwzględnych wartści) współczynniki β mdelu matematyczneg dla: X 2 X 4 (CuMn) raz X 3 X 4 (MgMn). Kntrlwane, na dwa spsby, trwałe zmiany wymiarwe bezniklwych siluminów stpwych w warunkach iztermiczneg bciążenia cieplneg pkazały, że są ne niewielkie (vide tabela 9.3); zdecydwanie mniejsze d tych bserwwanych w przypadku siluminów tłkwych z niklem [80, 88, ]. Na gół zmiany te kncentrwały się wkół zerwych wartści badanych parametrów i były: a) ddatnie (tzw. puchnięcie ) związane ze wzrstem długści i/lub bjętści stpów, czy też b) ujemne dtyczące ich kurczenia się. W przypadku stpów z niklem, przyrsty w większści przypadków były ddatnie, a ich maksymalne wartści dla bjętściwych zmian przekraczały niekiedy pzim 1,5% [80, 233]. Pjedyncze pmiary, dla pszczególnych eksperymentalnych bez- fiz fiz 137

139 niklwych siluminów, charakteryzwały się pewnym rzrzutem; był n zdecydwanie większy w przypadku ceny trwałych zmian bjętści (kreślanych na względnie małych próbkach), niż przy wyznaczeniu trwałych (niedwracalnych) zmian długści. Knsekwencją teg był lepsze pisanie, za pmcą mdelu matematyczneg, eksperymentalnych danych dtyczących wielkści (Δl/ l ), w dniesieniu d grszych efektów w 500 C przy- padku (ΔV/ V ) 500 C h 0 100h. Świadczą tym różnice miar dpaswania (R, R 2 i R 2 ppraw) pdane w tabelach 9.2 i 9.3. Z racji wymieninych przyczyn, pmiędzy bydwma parametrami istnieje tylk pewien, w istcie słaby (R 2 = 0,36 rys. 9.17), stpień krelacji. Rys Statystyczna zależnść pmiędzy liniwymi i bjętściwymi trwałymi zmianami wymiarwymi, w warunkach iztermiczneg wygrzewania, dla badanych bezniklwych siluminów tłkwych (vide tabela 9.1 dla stpów zgdnie planem eksperymentu, z pminięciem dwóch dstających wyników dtyczących stpów Nr 1 i 10) [234] Odntwane różnice miały również swje dzwierciedlenie w pewnej dmiennści quasijednczynnikwych wykresów dla analizwanych wielkści wyjściwych: (Δl/ l 500 C ) 500 C i (ΔV/ V0 ) 100 h. W bydwu jednak przypadkach bserwuje się gólny brak samdzielneg wpływu krzemu na trwałe zmiany wymiarwe w całym badanym zakresie jeg zawartści. Stanwi t p części ptwierdzenie dużej stabilnści eutektycznych struktur w warunkach nagrzewania (niezależnie d zachdzących prcesów kalescencji i kagulacji), dntwane m.in. w pracy [494]. Działanie krzemu w tym względzie mże być niec zmienine, w zależnści d zawartści żelaza i manganu, c wynika z isttnych wartści współczynników B (czy ) przy człnach X 1 X 4 (SiMn) i X 1 X 5 (SiFe) w dpwiednich wielmianwych równaniach regresji (vide tabele 9.2 i 9.3). Z wykresów na rysunkach 9.12 i 9.13 mżna stwierdzić, iż miedź samdzielnie nie sprzyja ddatnim przyrstm, a jej pzytywne działanie w kierunku ich minimalizacji mgą wzmacniać ptymalne zawartści magnezu, manganu i/lub żelaza. Zgdnie z uzyskanymi w eksperymentach wynikami, magnez pjedyncz nie pwinien znacząc zwiększać wymiarów badanej pdgrupy siluminów. Dść pwszechnie pierwiastek ten pdbnie jak miedź niesłusznie barczany jest winą za niestabilnść wymiarwą siluminów tłkwych. Wynika stąd, że nie należy jednak mylić ujemneg wpływu magnezu na rzszerzalnść cieplną z jeg działaniem na trwałe (niedwracalne) dkształcenia w warunkach bciążeń cieplnych. Z analizy mdeli matematycznych zaprezentwanych w tabelach 9.2 i 9.3 wynika pnadt, iż działanie magnezu mżna krygwać pprzez ptymalne jeg skjarzenia z miedzią i/lub żelazem. Na ddatnie przyrsty wymiarów i bjętści badanych stpów mają wpływ przejściwe pierwiastki, tj. żelaz i mangan, (ten statni w mniejszym stpniu), a także wspmniany wcześniej ni h

140 kiel. Ogólny charakter teg ddziaływania dbrze krespnduje z wynikami uzyskanymi w rzważaniach teretycznych zaprezentwanych w pdrzdziale 5.3, a także z wcześniejszymi badaniami autra [80, 233], dtyczącymi m.in. siluminów tłkwych z niklem. Przedstawine w pracach [24, 84, 233, 445] wyniki badań pkazują jednakże, że negatywne działanie niklu w rzpatrywanym kntekście mżna kmpenswać zwiększnymi ddatkami miedzi (c pkazuje też wykres na rysunku 5.9a), jak też pprzez ptymalizację parametrów bróbki cieplnej [232, 235]. Ujemne działanie żelaza i manganu w bezniklwych siluminach tłkwych mżna również graniczać przede wszystkim ddatkami miedzi i krzemu, a w pewnym stpniu magnezu. Isttnść wielu pdwójnych współczynników (B ij ) mdeli matematycznych w przypadku (Δl/ l ) raz ddatkw B C dla (ΔV/ V ) 500 C h świadczy tym, że charakter wpływu pszczególnych elementów składu chemiczneg na stabilnść wymiarwą (względem trwałych dkształceń) badaneg układu Al-Si-Cu-Mg-Mn-Fe jest stsunkw złżny. Gruntwne pznanie mechanizmów raz kinetyki tych zmian, w warunkach bciążeń cieplnych, wymaga ddzielneg prgramu badawczeg. Opracwane wielmianwe aprksymujące zależnści tak w dniesieniu d trwałych zmian wymiarwych, jak też d pzstałych wyjściwych (kntrlwanych) parametrów, wystarczając dbrze pisują eksperymentalne dane, i dlateg też mgą być wykrzystane d przeprwadzenia w pdrzdziale 9.3 prcedur ptymalizacyjnych Wielkryterialna ptymalizacja w przestrzeni wielwymiarwej Z pwdów bliczeniwych trudnści najczęściej mamy d czynienia z jednparametryczną (jednkryterialną) ptymalizacją stpów dlewniczych. Plepszanie jedneg, wybraneg parametru prwadzi jednakże nierzadk d pgrszenia lub siągania niedpuszczalnych wartści przez inne parametry. W związku z tym ważneg znaczenia, z praktyczneg punktu widzenia, nabiera mżliwść rzwiązywania wielparametrycznej (wielkryterialnej) ptymalizacji stpów w n-wymiarwej przestrzeni. Zadanie t jest szczególnie trudne, kiedy mdele matematyczne mają nieliniwy charakter, a przestrzeń pszukiwanych rzwiązań ma więcej niż 3 wymiary. W specjalistycznej literaturze matematycznej (np. [8, 188, 215, 242, 354, 436]) aktualnie brak jest analitycznych rzwiązań teg typu zagadnień. W pracach [411, 413] mżna znaleźć jedynie rzwiązania zadań dtyczących prgramwania kwadratweg z graniczeniami nierównściwymi pstaci liniwej. W większści teg typu przypadków niezbędnym staje się jednak sięgnięcie d metd ptymalizacji dyskretnej (numerycznej) [224, 385, 413, 461], z wykrzystaniem techniki kmputerwej. Matematyczne sfrmułwanie zadania ptymalizacyjneg na gół przybiera pstać typwą dla liniweg czy nieliniweg prgramwania, w którym pszukiwane jest ekstremum (minimum bądź maksimum) pewnej funkcji celu, przy spełnieniu kreślnych graniczeń w dniesieniu d pzstałych zależnści. Taki rdzaj ptymalizacji ma umwny charakter w tym znaczeniu, że wybrze jednej wielkści wyjściwej (parametru) jak funkcji celu (Y 1 ) raz warunków graniczających na pzstałe kntrlwane parametry Y k (gdzie: k 1), decyduje subiektywnie badacz na pdstawie psiadanej wiedzy raz dświadczenia. Siluminy tłkwe stanwią dsknały przykład złżnych, wielskładnikwych układów (systemów), w stsunku d których stawiane są różnrdne częst sprzeczne wymagania [110]. Pniżej pkazan drgę dchdzenia d kmprmiswych rzwiązań zadania syntezy bezniklwych siluminów typu tłkweg, na drdze numerycznej ptymalizacji, mając na względzie wspmniane uwarunkwania h 139

141 Określenie granicznych wartści dla wielkści wyjściwych raz matematyczne sfrmułwanie ptymalizacyjneg zadania Wyszczególnine w punkcie 9.1 wyjściwe parametry syntezy bezniklwych siluminów wymagają kreślenia ich prgwych (granicznych) wartści w taki spsób, ażeby siągnąć załżny, we wprwadzeniu d niniejszeg pracwania, cel badawczy. Przeprwadzna w rzdziale 6 analiza warunków pracy tłków raz charakterystyka szeregu fizykchemicznych i specyficznych właściwści ich twrzywa pkazała, że bardz ważnym parametrem wysktemperaturwej dprnści stpu tłkweg na długtrwałe statyczne bciążenia jest żarwytrzymałść. W związku z tym pstanwin (arbitralnie) wybrać, d prcedur ptymalizacyjnych, ten właśnie parametr (wielkść wyjściwą) jak funkcję celu Y 1, której wartść będzie dążyć d pewneg umwneg maksimum. Pzstałe kntrlwane wielkści wyjściwe Y k (k = 2, 3, ) wymagają pdania warunków graniczających w pstaci: Y k { lub }Y kg, gdzie Y kg znacza graniczną wartść danej k-tej wielkści Y. Określenie wartści Y kg będzie wynikał zarówn z przesłanek biektywnych, jak też subiektywnych. Zbiektywizwany rdzaj wymagań był następstwem załżenia, że bezniklwe siluminy pwinny mieć właściwści bliskie lub nie grsze d tych, które psiadają znrmalizwane siluminy tłkwe z niklem. W tym przypadku jak pdstawwy wzrzec był wybrany silumin stpwy AK12 z niklem (według symbliki nieaktualnej już nrmy materiałwej PN-76/H-88027, a becnie znaczany jak EN AC zgdnie z PN-EN 1706:2001), pwszechnie stswany w Plsce i na świecie d dlewania szerkiej gamy knstrukcyjnej i wymiarwej tłków silników spalinwych. Punktem dniesienia były też nrmatywne wymagania stawiane względem stpu AK12, a wynikające z nrm silnikwych [322, 323] (vide tabela 6.4). Pd uwagę bran również uzyskane w trakcie realizacji badań eksperymentalnych wartści kntrlwanych wielkści wyjściwych dtyczące stpów dniesienia: Nr 26 i 27. Ddatkw, jak wzrce służyły znane na świecie bezniklwe siluminy tłkwe, analizwane w rzdziale 2. Subiektywny charakter wymagań wynikał z wybrów dknanych przez autra niniejszej pracy. Na tej pdstawie w tabeli 9.4 sprecyzwan statecznie graniczne minimalne bądź maksymalne wartści Y kg, które były brane pd uwagę w prcedurze ptymalizacyjnej. Tabela 9.4. Graniczne wartści dla kntrlwanych wielkści wyjściwych (parametrów) przyjęte d prcedury ptymalizacyjnej Lp. 140 HB (gr.) R m (gr.) 350 C 10/2452/1h P A R A M E T R Y O P T Y M A L I Z A C J I A (gr.) HB (gr.) 350 C 5 α C tech (gr.) α 300 C fiz (gr.) (ΔV/ V ) [HB] [MPa] [%] [HB] [K -1 ] [K -1 ] [%] 500 C h 1 12,7 208,9 5, ,0 1) 24,0 1) 0, ,9 205,5 6, ,3 1) 23,8 1) 0, ,0 95(90) 21,0 1) 0,5284 2) 4 12,0 205,0 6, ,0 1) 24,0 1) 0,2000 3) 1) Wartści współczynników rzszerzalnści cieplnej pmnżne zstały przez 10 6 ; 2) pdan na pdstawie wyników pracy [233]; 3) z uwagi na nieduże trwałe zmiany wymiarwe dświadczalnych bezniklwych siluminów stpwych, graniczną wartść daneg parametru zmniejszn. Uwaga! W wierszach 1. i 2. pdan wartści rzpatrywanych wielkści wyjściwych dla stpów typu AK12, dpwiedni z wytpów Nr 26 i 27. W 3. z klei wierszu przytczn typwe graniczne wartści dla analgicznych wielkści, zaczerpnięte z krajwych i zagranicznych źródeł literaturwych, a także nrm państwwych i zakładwych (dtyczyły ne głównie kłeutektycznych siluminów tłkwych z niklem). W statnim 4. wierszu wyróżnin przyjęte statecznie graniczne wartści rzpatrywanych wielkści wyjściwych. Wartści prgwe dla HB 350 C 10/2452/1h (gr.) w tabeli 9.4 mają, z uwagi na pczynine wcześniej załżenia, jedynie walr infrmacyjny. W źródłach literaturwych brak jest jakichklwiek danych dtyczących trwałych zmian długści [ (Δl/ l ) ] w warunkach bciążeń 500 C cieplnych; h w przeprwadznych eksperymentach [234], dla stpów z wytpów Nr 26 i 27 wynsiły

142 ne dpwiedni: 0,0210 i 0,0512%; wszystkie badane, zgdnie z planem dświadczeń, bezniklwe siluminy miały mniejsze ddatnie trwałe przyrsty. Na pdstawie przyjętych załżeń, prcedurę ptymalizacji bezniklwych siluminów tłkwych, w gólnym matematycznym zapisie, mżna zaprezentwać tak, jak przykładw pkazują t wyrażenia (9.7). HB MAX. 350 C 10/2452/1h R m R m (gr.) A 350 C 5 A 350 C 5 (gr.) HB HB (gr.) (9.7) α C tech α 300 C fiz (ΔV/ V ) 500 C h α α C tech 300 C fiz (gr.) (ΔV/ V ) (gr.) 500 C h (gr.) Prównanie zakresów wartści badanych parametrów Y k dla bezniklwych siluminów (zgdnie z planem dświadczeń vide tabela 9.1) z wartściami granicznymi tychże parametrów dla przyjęteg wzrca (kłeutektyczneg siluminu tłkweg typu AK12 tabela 9.4) pkazuje, że istnieje duże prawdpdbieństw pracwania (syntezy) nwych stpów zgdnie z pstawinymi w pdrzdziale 1.3 tezami. Spstrzeżenie t częściw ptwierdzają też przykładwe wykresy a d na rysunku 9.18 a) b) c) d) Rys Zakresy zmian wybranych kntrlwanych wielkści wyjściwych dla eksperymentalnych bezniklwych siluminów tłkwych, na tle analgicznych wielkści dla stpów wzrcwych (dniesienia) z niklem 141

143 Algrytm i prgram ptymalizacyjny Numeryczne rzwiązanie zadania wielparametrycznej (wielkryterialnej) ptymalizacji bezniklwych siluminów tłkwych, w wielwymiarwej przestrzeni dla X i (i = 1, 2,, 5), przeprwadzne był z zastswaniem metdy systematyczneg (pełneg) przeszukiwania (inaczej metdy siatek) [385, 413, 461]. W metdzie tej badana przestrzeń dla wejściwych niezależnych czynników X i ( 1 X i +1) pdzielna jest przez pewną siatkę przestrzenną prstkątną lub (w gólnym przypadku) nierównmierną [511]. W punktach węzłwych tak pwstałej wielwymiarwej siatki dknywane jest sprawdzanie wypełnienia warunków 9.7, z następującym wybrem ptymalneg rzwiązania, dpwiadająceg funkcji celu Y 1. Autmatyczne znajdywanie ptymalnych rzwiązań w punktach siatki mżliwe jest za pmcą przeszukiwania lsweg (np. metdą Mnte Carl) w celu zgrubneg umiejscwienia glbalneg ekstremum, a ptem dla dkładnej jeg lkalizacji metdą pełneg przeszukiwania na dpwiedni zagęszcznej siatce przestrzennej. Ta statnia strategia mże w zasadzie stanwić jedyny spsób ptymalizacji [515, 538]; tak też pstąpin w dniesieniu d rzwiązywaneg w niniejszej pracy zagadnienia. Schemat blkwy algrytmu ptymalizacji, metdą pełneg przeszukiwania na siatce, pkazany zstał na rysunku Wybór metdy siatek pdyktwany był głównie prsttą algrytmu, a pnadt niewrażliwścią na kształt funkcji celu raz spójnść dpuszczalneg bszaru przeszukiwania [104]. Z punktu widzenia matematyczneg raz prgramistyczneg nie jest t najbardziej efektywna metda ptymalizacji [413]; dla zadań inżynierskich, umiarkwanym stpniu skmplikwania, zadwalając spełnia jednak swją funkcję. Prgram ptymalizacyjneg zadania, dpwiadająceg pwyższemu algrytmwi, napisany zstał przez autra niniejszeg pracwania w języku prgramwania Micrsft QuickBASIC. Wybrane fragmenty zapisu teg prgramu pkazują kna a d na rysunku a) b) c) d) Rys Przykład zapisu realizacji zadania ptymalizacyjneg w języku prgramwania Micrsft QuickBASIC: a) pczątku, b i c) śrdka raz d) kńca prgramu 142

144 S T A R T Ruch w kierunku si współrzędnych X 1 : = X 1 p X 1 : = X 1 + X 1 Wprwadzenie danych pczątkwych X 2 : = X 2 p X n : = X n p X n : = X n + X n X 2 : = X 2 + X 2 Obliczenie Y 2 X n X n k nie Y 2 Y 2g tak Obliczenie nie tak Y 3 X 2 X 2 k nie Sprawdzanie warunków granicznych Y 3 Y 3g tak Obliczenie Y m Y m Y mg nie nie tak k X 1 X 1 tak Wyznaczenie Y 1max nie Zmiana si współrzędnych tak Z a p i s: X 1, X 2, X 3,..., X n Y 1, Y 2, Y 3,...,Y m Obliczenie Y 1 Wydruk ptymalnych wartści: X 1, X 2, X 3,..., X n Y 1, Y 2, Y 3,..., Y m K O N I E C Rys Schemat blkwy algrytmu ptymalizacji bezniklweg siluminu tłkweg [80, 233, 234, 461] 143

145 Czas pszukiwania ptymalneg rzwiązania, w zależnści d zakresu zawartści (dla pszczególnych wielkści wejściwych X i, tj. elementów składu chemiczneg) raz wielkści krków ich zmian wahał się d paru sekund d kilkudziesięciu minut. Przed praktyczną realizacją prcedur ptymalizacyjnych, prgram kmputerwy pddany zstał wielkrtnym testm sprawdzającym Nwe stpy jak wynik ptymalizacji kmputerwej Pczątkw bszar pszukiwania ptymalnych rzwiązań bejmwał całą przestrzeń, wynikającą z załżnych planem dświadczeń zakresów zawartści pszczególnych ddatków stpwych. Prównanie wyników ptymalizacji ze stsunkw dużymi krkami zmian wielkści wejściwych, z tymi dla minimalnych ich wartści pkazał (rys. 9.21a i b), że badany bszar charakteryzuje się gólną ciągłścią (bliskie rezultaty kńcwe). Nie miał też sensu nadmierne zagęszczanie przeszukiwanej przestrzeni siatką, gdyż zwiększał t znacznie czas pracy prgramu. W następnej klejnści syntezę graniczn zgdnie z dbrze ugruntwanym pdziałem bezniklwych siluminów tłkwych (vide rzdział 2, tabela 2.8) d dwóch głównych ich pdgrup (związanych z zawartścią krzemu): a) pdeutektycznych d 8,5 d 10,5% raz b) kłeutektycznych d 10,5 d 12,5%. a) b) c) d) Rys Przykładwe kna zrzutów ekranwych prgramu Micrsft QuickBASIC: a) cała badana przestrzeń, czas przeszukiwania 40 s; b) cała badana przestrzeń, czas przeszukiwania 60 min; c) siluminy pdeutektyczne (Fe 0,3%); d) siluminy kłeutektyczne (Fe = ~0,7%) W pwyższych zakresach zawartści krzemu pszukiwan składów chemicznych nwych bezniklwych siluminów tłkwych trzymywanych tak z hiptetycznie czystych materiałów wsadwych [zakładając, że Fe 0,30 (max. 0,50)%], jak też z surwców wtórnych (przyjmując umwnie średni pzim żelaza w nich równy ~0,7%). Wstępne wyniki pszukiwania ptymalnych rzwiązań w pd- i kłeutektycznych bszarach pkazują kna zrzutów c i d prgramu Micrsft QuickBASIC zaprezentwane na rysunku

146 W celu uzyskania przez pdeutektyczne bezniklwe siluminy stpwe pzimów żarwytrzymałści zbliżnych d wzrcwych stpów z niklem (typu AK12), należał złagdzić niec wymagania dtyczące rzszerzalnści cieplnej, gdyż w wielu przypadkach prgram ptymalizacyjny nie znajdwał rzwiązania. Wydaje się t zrzumiałe, jeżeli C 300 C weźmie się pd uwagę fakt, że parametry rzszerzalnści cieplnej ( αtech i α fiz ) stpów aluminium w dużym stpniu zależą d zawartści w nich krzemu (vide rysunki 9.10 i 9.11), a pdane w tabeli 9.4 graniczne wartści w istcie dtyczą kłeutektycznych siluminów z niklem. W przypadku pszukiwania bezniklwych siluminów z zakresu 10,5 12,5% Si nie wystąpiły teg typu prblemy. W wielu sytuacjach, c się tyczy bydwu pdgrup bezniklwych siluminów, zmienian wartści graniczne (Y kg ) tak, ażeby uzyskać jak najlepsze skjarzenia wyjściwych charakterystyk. Wielkrtne przegrywanie ptymalizacyjneg prgramu kmputerweg, w różnych zakresach zawartści badanych ddatków stpwych, ze zmiennymi warunkami granicznymi dla Y k (k = 2, 3, ), pzwlił w knsekwencji zaprpnwać cztery nwe i/lub udsknalne bezniklwe siluminy tłkwe (vide tabela 9.5): pdeutektyczny ASi10Cu2MgMn na bazie czystych surwców ( 0,30% Fe); pdeutektyczny AlSi10,5Cu3MgMnFe na bazie surwców wtórnych (~0,70% Fe); kłeutektyczny ASi12Cu3,5MgMn na bazie czystych surwców ( 0,30% Fe); kłeutektyczny AlSi12Cu3,5MgMnFe na bazie surwców wtórnych (~0,70% Fe). Wykrzystując pracwane mdele matematyczne (w pstaci wielmianwych równań regresji), pstanwin na ich pdstawie wyznaczyć (bliczeniw) właściwści reprezentatywnych zagranicznych przedstawicieli bezniklwych siluminów tłkwych typu (vide tabela 2.8): pdeutektyczneg znaczaneg jak AlSi9,5Cu3Mg1; raz kłeutektyczneg znaczaneg jak AlSi12Cu3Mg1. Z danych tabeli 9.5 wynika, iż szczególnie interesujące są ze względu na wartści kntrlwanych parametrów wyjściwych nw pracwane bezniklwe siluminy typu kłeutektyczneg. Nietrudn zauważyć, że dsknałe właściwści mgą mieć teg typu stpy wytapiane zarówn z czystych materiałów wyjściwych, jak też na bazie surwców wtórnych ( większych zawartściach żelaza). Fakt ten miał również swje knsekwencje w klejnych badaniach labratryjnych, przemysłwych (na tłkach) raz eksplatacyjnych w próbach na hamwni silnikwej. 145

147 Tabela 9.5. Zakresy i średnie zawartści pdstawwych ddatków stpwych raz właściwści dla pracwanych na drdze zastswania prcedur ptymalizacyjnych bezniklwych siluminów tłkwych, na tle analgicznych (bliczeniwych) danych dla znanych światwych analgów Oznaczenie stpu S k ł a d c h e m i c z n y, [% wag.] P a r a m e t r y p t y m a l i z a c j i Si Cu Mg Mn Fe 350 C HB 10/2452/1h Rm 350 C A HB 5 α 20 tech 300 C α 300 fiz C (Δ V / V [HB] [MPa] [%] [HB] [K -1 ] [K -1 ] [%] 0 ) h C Wyniki ptymalizacji bezniklweg siluminu tłkweg w zakresie zawartści Si 8,5 10,5% wag., na bazie czystych materiałów wsadwych AlSi10- Cu2Mg- Mn Prpnwane zakresy zawartści pszczególnych ddatków stpwych 9,50 10,50 2,00 2,50 0,75 0,95 0,60 0,80 0,30(0,50) Średnie wartści zawartści ddatków stpwych w bezniklwym stpie Wielkści parametrów ptymalizacji dpwiadające średnim wartścim ddatków stpwych 10,00 2,25 0,85 0,70 0,30 12, ,1 98,8 21,0* 24,7* - 0,14 Wyniki ptymalizacji bezniklweg siluminu tłkweg w zakresie zawartści Si 8,5 10,5 (11,0)% wag., na bazie surwców wtórnych ( zwiększnych zawartściach Fe) Prpnwane zakresy zawartści pszczególnych ddatków stpwych AlSi10,5- Cu3Mg- MnFe 10,25 10,75 2,90 3,30 0,55 0,75 0,60 0,80 0,50 0,90 Średnie wartści zawartści ddatków stpwych w bezniklwym stpie Wielkści parametrów ptymalizacji dpwiadające średnim wartścim ddatków stpwych 10,50 3,10 0,65 0,70 0,70 11, ,7 101,7 21,1* 22,3* + 0,04 Wyniki predykcji właściwści dla znaneg za granicą bezniklweg siluminu tłkweg w zakresie zawartści Si 8,5 10,5% wag., na bazie czystych materiałów wsadwych Prpnwane zakresy zawartści pszczególnych ddatków stpwych AlSi9,5- Cu3Mg1 8,50 10,50 2,00 4,00 0,50 1,50 0,5 1,00 Średnie wartści zawartści ddatków stpwych w bezniklwym stpie Wielkści parametrów ptymalizacji dpwiadające średnim wartścim ddatków stpwych 9,50 3,00 1,00 0,30 0,30 12, ,1 94,4 21,9* 24,5* - 0,26

148 cd. tabeli 9.5 Oznaczenie stpu S k ł a d c h e m i c z n y, [% wag.] P a r a m e t r y p t y m a l i z a c j i C Si Cu Mg Mn Fe 350 C HB 10/2452/1h Rm 350 C A HB 5 α 20 tech 300 C α 300 fiz C (Δ V / V [HB] [MPa] [%] [HB] [K -1 ] [K -1 ] [%] 0 ) h Wyniki ptymalizacji bezniklweg siluminu tłkweg w zakresie zawartści Si 10,5 12,5% wag., na bazie czystych materiałów wsadwych Prpnwane zakresy zawartści pszczególnych ddatków stpwych AlSi12- Cu3,5Mg- Mn 11,50 12,50 3,20 3,50 0,50 0,70 0,35 0,55 0,30 (0,50) Średnie wartści zawartści ddatków stpwych w bezniklwym stpie Wielkści parametrów ptymalizacji dpwiadające średnim wartścim ddatków stpwych 12,25 3,35 0,60 0,45 0,30 12, , ,5* 22,5* - 0,16 Wyniki ptymalizacji bezniklweg siluminu tłkweg w zakresie zawartści Si 10,5 12,5% wag., na bazie surwców wtórnych ( zwiększnych zawartściach Fe) Prpnwane zakresy zawartści pszczególnych ddatków stpwych AlSi12- Cu3,5Mg- MnFe 12,00 12,50 3,30 3,60 0,40 0,60 0,50 0,80 0,50 0,90 Średnie wartści zawartści ddatków stpwych w bezniklwym stpie Wielkści parametrów ptymalizacji dpwiadające średnim wartścim ddatków stpwych 12,25 3,45 0,50 0,65 0,70 13, ,9 105,7 20,7* 21,5* + 0,03 Wyniki predykcji właściwści dla znaneg za granicą bezniklweg siluminu tłkweg w zakresie zawartści Si 10,5 12,5% wag., na bazie czystych materiałów wsadwych Prpnwane zakresy zawartści pszczególnych ddatków stpwych AlSi12- Cu3Mg1 11,00 13,00 2,00 4,00 0,50 1,50 0,5 1,00 Średnie wartści zawartści ddatków stpwych w bezniklwym stpie Wielkści parametrów ptymalizacji dpwiadające średnim wartścim ddatków stpwych 12,00 3,00 1,00 0,30 0,30 13, ,1 104,5 21,6* 23,9* - 0,29 * - wartści współczynników rzszerzalnści cieplnej pmnżne zstały przez 10 6

149 9.4. Ocena mżliwści wykrzystania sztucznych sieci neurnwych d syntezy stpów na przykładzie bezniklwych siluminów tłkwych Zaprezentwany w pprzednich pdrzdziałach spsób pracwania (syntezy) bezniklwych siluminów tłkwych, bazwał na fizykchemicznej selekcji ddatków stpwych, a także mniej lub bardziej złżnych metdach matematyczn-statystyczneg mdelwania raz ptymalizacji. Te statnie zagadnienia d dnia dzisiejszeg nie są d kńca sfrmalizwane, a budwa złżnych mdeli (w parciu plan dświadczeń) i wielkryterialna ptymalizacja w przestrzeni wielwymiarwej nastręczają badaczm szereg prblemów natury metdlgicznej. Nwym pdejściem d teg typu zagadnień mże być wykrzystanie mdeli sztucznych sieci neurnwych (ang. Artificial Neural Netwrks), jak rezultat pszukiwań prwadznych w zakresie sztucznej inteligencji [365, 487]. W pracy [435] stwierdzn, że (...) sieci neurnwe są bardz dbrym narzędziem dla licznych zastswań jak się wydaje także w metalurgii i inżynierii materiałwej ( ). Oprócz zadań identyfikacji, lkalizacji i prgnzwania, sieci neurnwe używane są craz szerzej d zadań mdelwania, sterwania i ptymalizacji [224, 431, 434]. W USA, Japnii i innych wysk uprzemysłwinych krajach bserwuje się becnie tendencję wzrstwą, dtyczącą wykrzystywania technik infrmatycznych w badaniach nad pracwywaniem nwych twrzyw [419]. Upwszechnienie metd i narzędzi kmputerweg wspmagania działań inżynierskich (tj. CAD, CAM, CAMD i in.) stanwi dmenę stale rzwijającej się kmputerwej nauki materiałach [102]. Mając t na uwadze, pstanwin dknać prównania na ile rzwiązania trzymane przy przetwrzeniu danych eksperymentalnych za pmcą metdlgii sztucznych sieci neurnwych będą zbieżne z wynikami uzyskanymi w trakcie syntezy bezniklwych siluminów tłkwych, stsując klasyczne metdy matematyczneg mdelwania i ptymalizacji (vide pdrzdziały ). Metdlgiczne aspekty raz szczegóły zastswanych matematycznych przekształceń (dwzrwań), a także algrytmy uczenia samrganizujących się sieci typu Khenena zstały zaprezentwane w pracach [87, 222] z udziałem autra niniejszeg pracwania. W rzpatrywanym przypadku zachdziła ptrzeba dwzrwania (przekształcenia, zrzutwania) n = 27 wektrów wejściwych z przestrzeni 8-wymiarwej (siem badanych właściwści vide tabela 9.1), na euklideswą przestrzeń trójwymiarwą (M = 3). Wejściwe wektry w istcie dtyczyły: a) 25 dświadczalnych bezniklwych stpów, wyknanych zgdnie z planem dświadczeń (punkt 23 planu bejmwał w sumie trzy stpy Nr 23, 24 i 25) raz b) 2 stpy Nr 26 i 27 z niklem (jak wzrce). Dane liczbwe d prjektwania sztucznych sieci neurnwych typu Khnena wstępnie zstały zestawine w arkuszu kalkulacyjnym pakietu Micrsft EXCEL. Następnie były ne sprwadzne, za pmcą funkcji xlsread, d pstaci macierzy zrzumiałej dla prgramu MATLAB [60]. Właśnie w tym prgramie wyknywane były przekształcenia sieci, wykrzystując d teg celu funkcję znaczaną jak: xyz = sammn(a), (9.8) gdzie: xyz t symbliczne znaczenie macierzy wyjściwych wektrów, w przestrzeni trójwymiarwej; a macierz pisująca badane stpy. Wynikiem bliczeń, związanych z dwzrwaniem Sammna, był plik prgramu MA- TLAB, stanwiący ciąg trójek liczb dla N = 27 przypadków (vide rys. 9.22), dpwiadających skalarnym składwym wyjściwych wektrów w przestrzeni kartezjańskiej XYZ. Kńcwa prezentacja danych zstała wyknana za pmcą graficzneg pakietu prgramu AutCAD Wymagał t przetwrzenia zapisu danych liczbwych z prgramu MAT- 148

150 LAB d pstaci plików scriptwych rzszerzeniu *scr. Grafika prgramu AutCAD pzwalała na dczytywanie umwnej dległści w przestrzeni 3-wymiarwej pmiędzy pszczególnymi biektami (stpami), a także c najważniejsze kreślenie dległści eksperymentalnych stpów d wzrców (wzrca wypadkweg). Ogólnie rzecz birąc, wzrcami mgą być zarówn realne biekty (w danym przypadku wspmniane wcześniej siluminy tłkwe z niklem), jak też wirtualne twry (w pstaci liczbwej) a priri kreślnych właściwściach czy stawianych wymaganiach na przykład zgdnie ze specyfikacją prjektwą, załżeniami knstrukcyjnymi, zestawem wymagań, itp. [222]. Nietrudn zauważyć na rysunku 9.22, że zarówn wzrce pśrednie AK12 (26) i AK12 (27), jak też stpy Nr 23, 24 i 25 (z centrum planu dświadczeń) leżą blisk siebie w trójwymiarwej przestrzeni, c ptwierdza słusznść pczyninych załżeń metdlgicznych. Współrzędne wzrca wypadkweg stanwią średnie arytmetyczne dpwiednich współrzędnych w siach X, Y i Z dla wzrców pśrednich. Rys Rzmieszczenie eksperymentalnych stpów Nr 1 25, p przekształceniach Sammna, w przestrzeni trójwymiarwej, w stsunku d wzrców pśrednich AK12 (26) i AK12 (27) raz wzrca wypadkweg [87, 222] Za kryterium ceny, dla pszczególnych eksperymentalnych bezniklwych siluminów, przyjęt ich ddalenie d wzrca wypadkweg. Im bliżej dległściw, na wykresie przestrzennym, w umwnych jednstkach (w danym przypadku w mm) kreślny stp znajdwał się d teg wzrca, tym lepszy pwinien być kmpleks jeg pżądanych właściwści, bliski analgicznemu zestawwi właściwści dla znrmalizwanych siluminów tłkwych z niklem. Za ptymalne rzwiązanie przyjmwan umwnie skład chemiczny, który dpwiadał średniej arytmetycznej zawartści ddatków stpwych dla trzech najbliższych wzrcwi wypadkwemu eksperymentalnych bezniklwych siluminów. Oddzielnie przy tym ptraktwan grupy bezniklwych siluminów zawierające krzem dpwiedni na pzimach: 8,5; 10,5 raz 12,5%. Na ich pdstawie bliczan również, pprzez uśrednienie, zawartści Cu, Mg, Mn i Fe dla stpów zawierających 9,5 raz 11,5% Si. Zestawienie wyników bliczeń (uśrednień) raz ich graficzną interpretację pkazan na rysunku

151 a) b) Rys Wyniki ptymalizacji bezniklwych siluminów tłkwych przy wykrzystaniu metdy sztucznych sieci neurnwych: a) arkusz pakietu Micrsft EXCEL z blicznymi średnimi zawartściami kntrlwanych ddatków stpwych w pszczególnych grupach (ze względu na zawartść Si) bezniklwych siluminów; b) graficzna prezentacja wyników [87, 222] Z prównania efektów syntezy przy zastswaniu metdlgii sztucznych sieci neurnwych (vide rys. 9.23) z rezultatami klasycznej ptymalizacji (vide tabela 9.5) wynika zadwalająca zbieżnść bydwu spsbów. Pewne różnice w zawartściach pszczególnych ddatków stpwych, szczególnie te dtyczące Mg, są następstwem niewielkiej ilści (trzech) eksperymentalnych stpów przyjętych d wyznaczenia ptymalneg składu chemiczneg na drdze uśrednień. Wykres na rysunku 9.23b raz pdane w tabeli kna prgramu Micrsft EXCEL dane liczbwe (rys. 9.23a) wskazują, że kłeutektyczne eksperymentalne siluminy generalnie są bardziej ddalne d wzrca wypadkweg niż siluminy pdeutektyczne. Ta pzrna sprzecznść z wcześniejszymi wynikami ptymalizacji wynika m.in. stąd, że niemała część eksperymentalnych bezniklwych stpów, zawartści 12,5% Si, psiada dbiegające (znacznie lepsze) właściwści d tych dtyczących wzrców AK12 (26) i AK12 (27) vide tabele 9.1 i 9.4 raz rysunek Eksperymentalne pdeutektyczne bezniklwe siluminy w tym znaczeniu były bliższe ustanwinym punktm (stpm) dniesienia. Wyjaśnia t, chciażby częściw, dlaczeg teg typu twrzywa są jeszcze becnie stswane na tłki d silników spalinwych raz fakt, że te kłeutektycznych zawartściach krzemu wymagały dpracwania. Sytuacja ta rdzi również kncepcję wprwadzania d przekształceń Sammna, dla pdbneg typu sytuacji prblemwych, wirtualnych wzrców ekstremalnych maksymalnych lub minimalnych pzimach badanych parametrów. Wartści liczbwe tych statnich mgłyby być kreślane na przykład na pdstawie analizy dstępnych eksperymentalnych danych; w przypadku rzpatrywanych bezniklwych siluminów tłkwych mgą nimi być wielkści zawarte w tabeli 9.1. W pdsumwaniu należy pdkreślić, że zastswanie sztucznych sieci neurnwych d pwyżej sfrmułwaneg celu charakteryzuje się: a) względną prsttą działań raz b) szybkścią bliczeń. Pszukiwanie nwych rzwiązań materiałwych w danym przypadku nie wymaga ścisłeg trzymania się reguł planwaneg eksperymentu raz prcedur analitycznej czy numerycznej ptymalizacji. Jak pkazuje t zaprezentwany przykład, krzystanie z mdeli sztucznych sieci neurnwych nie jest kwestią li tylk mdy, czy kreślnych trendów we współczesnej nauce; jest bardz pżytecznym narzędziem pznawczym, pzwalającym w przyjazny dla badacza spsób dchdzić d pżądanych rzwiązań [435]. 150

152 9.5. Wyjaśnienie przyczyn zwiększnej stabilnści wymiarwej bezniklwych siluminów stpwych względem trwałych dkształceń Z wcześniejszych prac [80, 233] autra niniejszeg pracwania wynika, że względne trwałe (niedwracalne) zmiany bjętści znrmalizwaneg stpu typu AK12 (EN AC ) w pdbnych warunkach bciążeń cieplnych sięgały pzimu 0,5% (a niekiedy nawet 1,5%). Tymczasem, jak dntwan t już w punkcie 9.2.2, eksperymentalne badania unaczniły, że wielkści trwałych dkształceń bezniklwych siluminów kncentrują się w zdecydwanej większści przypadków wkół wartści zerwej. Jednym z najbardziej stabilnych eksperymentalnych stpów był ten z numerem 17. W tabeli 9.6 pkazan bserwwane zmiany wymiarwe teg stpu, w prównaniu ze zmianami stpów wzrcwych z niklem, typu: AK12(Nr 26) i AK12 (Nr 27). Tabela 9.6. Charakterystyka wybranych dświadczalnych siluminów ze względu na skłnnść d trwałych zmian wymiarwych w warunkach bciążeń cieplnych Oceniany parametr 500 C h Trwałe zmiany wymiarwe stpów, [%] AK12 (Nr 26) AK12 (Nr 27) Nr 17 (ΔV/V ) 0,1417 0,6080 0,0677 (Δl/ l ) 0,0210 0,0512 0, C h Z przedstawinych danych liczbwych wynika, że również w tym przypadku występują wyraźne różnice w wielkściach mierznych, na dwa spsby, zmian wymiarwych. W związku z pwyższym, pstanwin rzpznać przyczyny zwiększnych trwałych dkształceń znrmalizwanych siluminów tłkwych zawierających k. 1% Ni, w dniesieniu d stsunkw niewielkich dkształceń bserwwanych w przypadku eksperymentalneg bezniklweg siluminu Nr 17. W tym miejscu wart pdkreślić, że teg typu zjawisk nie jest dntwane w żadnej publikacji krajwej czy zagranicznej. Dla specjalistów z zakresu prjektwania silników spalinwych, teg typu infrmacje metalznawcze mają jednak kapitalne znaczenie, z punktu widzenia eksplatacji tłków. Na rysunkach 9.24 i 9.25 pkazan charakterystyczne zmiany w mikrstrukturze stpów Nr 26 (typu AK12) raz Nr 17, przed i p bciążeniu cieplnym (500 C; 100 h), bserwwane w badaniach stabilnści wymiarwej. Dwu- (2D z mikrskpu ptyczneg) i trójwymiarwe (3D z elektrnweg mikrskpu skaningweg, głębk trawinych zgładów) mikrftgrafie dświadczalnych stpów Nr 26 raz Nr 17 (rys i 25) pkazują, że bciążenie cieplne nie pwduje isttnych zmian w budwie dendrytów α Al - rztwru stałeg, sprzyja natmiast bardziej sferycznej pstaci (mrflgii) wydzieleń krzemu eutektyczneg, a także innych faz międzymetalicznych. Z klei rysunki 9.26 i 9.27 przedstawiają przykładwe wyniki badań składu chemiczneg, metdą mikranalizy rentgenwskiej EDS dla wybranych mikrbszarów struktury stpu Nr 26 (typu AK12) przed- i p bciążeniu cieplnym raz identyfikacji na ich pdstawie, psiłkując się danymi tabeli 3.1, międzymetalicznych faz występujących w danym mikrbiekcie (w sumie analizwan 3 mikrftgrafie dla jedneg typu próbki). Pdbne badania, metdą mikranalizy rentgenwskiej, wyknan w dniesieniu d próbek 17.1 i 17.2, a także 27.1 i 27.2 (również analizwan p 3 mikrftgrafie dla każdej z nich). Już wstępne wyniki badań metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM) pkazały, że ile w stpie Nr 27 zmiany struktury pd wpływem bciążenia cieplneg były pdbne a nawet niec większe d tych bserwwanych dla stpu Nr 26, t bezniklwy silumin wykazał się dużą stabilnścią w tym względzie. Zarówn w stanie wyjściwym, jak też p 151

153 a) d) 50 μm 50 μm b) e) 10 μm 10 μm c) f) 10 μm 10 μm Rys Prównanie 2D i 3D mikrstruktur siluminu tłkweg z niklem Nr 26 (AK12 AlSi12- CuMgNi): a), b) i c) próbka Nr 26.1 przed bciążeniem cieplnym raz d), e) i f) próbka Nr 26.2 p bciążeniu cieplnym 152

154 d) a) 50 μm 50 μm e) b) 10 μm 10 μm f) c) 10 μm 10 μm Rys Prównanie 2D i 3D mikrstruktur bezniklweg siluminu stpweg Nr 17 (AlSi10,5Cu2,5Mg0,5Mn0,6Fe0,7: a), b) i c) próbka Nr 17.1 przed bciążeniem cieplnym raz d), e) i f) próbka Nr 17.2 p bciążeniu cieplnym 153

155 iztermicznym wygrzewaniu (500 C, 100 h) w stpie Nr 17 bserwwan w sumie identyczne składniki mikrstruktury pza Al - rztwrem stałym i eutektyką krzemwą ( sferycznych wydzieleniach krzemu p bciążeniu cieplnym) takie na przykład, jak: (Al 2 Cu), N(Al 7 Cu 2 Fe), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ) raz - i/lub β[al(mnfe)si]. a) b) cps Al T(Al 7 Cu 4 Ni) 50 Ni Cu Energy (kev) Rys Identyfikacja składników struktury w wybranych mikrbszarach próbki (stpu) Nr 26.1 metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM): a) mikrftgrafia z uwidczniną mrflgią faz; b) widm EDS fazy T(Al 7 Cu 4 Ni) raz jeg ilściwy pis a) b) cps Al ρ(al 9 NiFe) ρ[al 9 Ni(FeMn)] Si Mn Fe Ni Energy (kev) Rys Identyfikacja składników struktury w wybranych mikrbszarach próbki (stpu) Nr 26.1 metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM): a) mikrftgrafia z uwidczniną mrflgią faz; b) widm EDS fazy ρ[al 9 Ni(FeMn)] raz jeg ilściwy pis W celu stateczneg sprecyzwania składu fazweg stpu Nr 17 w stanie wyjściwym (próbka 17.1) raz p bciążeniu cieplnym (próbka 17.2) przeprwadzne zstały ddatkwe badania metdą różnicwej kalrymetrii skaningwej (DSC). Krzywe DSC ich nagrzewania raz chłdzenia pkazują wykresy a i b na rysunku Szczególnie przydatne d analizy były krzywe nagrzewania. W ryginalnym wydruku wykreślane były ne na czerwn i w charakterystycznych punktach ( pikach ) dpwiadały występującym w próbkach składnikm mikrstruktury, w dniesieniu d stanów równwagwych przemian (vide Załącznik). W ten spsób identyfikwały ne skład fazwy badaneg stpu w stanie wytwrzenia, tj. uwzględniającym efekty prcesów dlewania i/lub bróbki cieplnej. Krzywe chłdzenia, kreślne na niebiesk, wykazywały pewien stpień przechłdzenia; chłdzenie stpu d temperatury przewyższającej punkt tpnienia, znaminuje w badaniu kalrymetrycznym jedynie jeg gólny (wyjściwy, przed przetwrzeniem) stan fazwy. 154

156 DSC /(mw/mg) 1.50 ex Peak: C Onset*: C Peak: C Peak: C Peak: C Peak: C Area: J/g Value: C End: C End: C Area: J/g Value: C Peak: C Temperature / C [1.1] [1.2] DSC /(mw/mg) ex Onset*: C Peak: C Peak: C Area: J/g Peak: C Peak: C Area: J/g Value: C End: C End: C Peak: C Value: C Temperature / C Rys Reprezentatywne krzywe DSC nagrzewania i chłdzenia wraz z elementami przejść przez przemiany fazwe (w pstaci pików) dla dświadczalneg bezniklweg siluminu tłkweg Nr 17: a) w stanie wyjściwym (p dlaniu i bróbce cieplnej próbka Nr 17.1); b) p bciążeniu cieplnym (500 C, 100 h próbka Nr 17.2) Z badań kalrymetrycznych dświadczalneg bezniklweg siluminu Nr 17 wynika, że w stanie wyjściwym (krzywa nagrzewania rys. 9.28a) w strukturze stpu prócz α Al - rztwru stałeg i eutektyki krzemwej (α Al + β Si ), występuje w pbliżu temperatury 537,2 C mieszanina eutektyczna zawierająca fazy: Θ(Al 2 Cu), N(Al 7 Cu 2 Fe) i T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) raz W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ) [pik w temperaturze 507,8ºC, vide Załącznik]. W mikrstrukturze próbki Nr 17.1 mgą występwać pnadt inne składniki strukturalne, takie jak: S(Al 2 CuMg), T(Al 6 CuMg 4 ), a także α- i/lub β fazy żelaza raz manganu. P bciążeniu cieplnym faza W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ) znika ze struktury stpu, c pkazuje czerwna krzywa nagrzewania DSC na rysunku 9.28b; pnwna krystalizacja stpu próbki Nr 17.2 (niebieska krzywa na wykresie rys. 9.28b) pwduje jej pjawienie się z ewentualnymi ddatkwymi elementami struktury: fazami S i/lub T. Przebiegi krzywych DSC dla próbek 17.1 i 17.2, pza pikiem w bszarze występwania fazy W, gólnie są pdbne. Należy w tym miejscu dntwać dbrą zgdnść wyników analizy mikrstrukturalnej z wynikami badań metdą różnicwej kalrymetrii skaningwej (DSC). Pnieważ bjętść właściwa fazy W jest bliska, c d wartści liczbwej, bjętści właściwej α Al - rztwru stałeg (vide tabela 3.1), tłumaczy t p części dlaczeg teg typu stpy wykazują wyjątkwą stabilnść względem trwałych zmian wymiarwych w warunkach bciążeń cieplnych. Pza tym stp Nr 17, niezależnie d zmian w mrflgii niektórych składników mikrstruktury, gólnie charakteryzuje się względną stałścią składu fazweg. W mniej stabilnych siluminach z niklem (stpy Nr 26 i 27 krzywe DSC dla stpu Nr 26, w stanie wytwrzenia, pkazane zstały na rys. 11.2b), mechanizm ddatnich trwałych przyrstów plega prawdpdbnie na tym, że znaczna część niklwej fazy T(Al 7 Cu 4 Ni) ulega w trakcie bciążeń cieplnych przemianie na drdze dyfuzyjnej w fazy ε(al 3 Ni) i (Al 9 NiFe), większej bjętści właściwej (vide tabela 3.1 raz rys i 9.27), z jednczesnym przejściem Cu d α Al - rztwru stałeg, c umwnie mżna zapisać: α Al + T(Al 7 Cu 4 Ni) α Al (Cu) + ε(al 3 Ni) + ρ(al 9 NiFe), γ ) (γ T = 0,182 cm 3 /g) γ ) (γ ε = 0,253 cm 3 /g) (γ ρ = 0,283 cm 3 /g) ( α Al a) b) ( (Cu) α Al przy czym γα Al (Cu) ma niec mniejszą wartść niż γ α. Al Kńcwe wyniki bserwacji mikrstruktur (z mikrskpu ptyczneg raz elektrnweg), analizy mrflgii faz i widm dyfrakcji elektrnów z wybranych mikrbszarów, [1.1] [1.2] 155

157 a także badań kalrymetrycznych dla stpów Nr 17, 26 i 27 przed i p bciążeniu cieplnym (500 C; 100 h) zestawine zstały w tabeli 9.7. Tabela 9.7. Skład fazwy wybranych stpów przed i p bciążeniu cieplnym Nr wytpu 1) Nr próbki 17 2) ) ) Wyszczególnienie zidentyfikwanych składników mikrstruktury 7) α Al, (α Al + Si ), θ(al 2 Cu), S(Al 2 CuMg), T(Al 6 CuMg 4 ), N(Al 7 Cu 2 Fe), T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 5) α Al (Cu), (α Al + Si ), θ(al 2 Cu), S(Al 2 CuMg), T(Al 6 CuMg 4 ), N(Al 7 Cu 2 Fe), Al 6 (MnFe) 4), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 5) α Al, (α Al + Si ), θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), T(Cu 6 CuMg 4 ), T(Al 7 Cu 4 Ni), (Al 9 NiFe), h(al 8 Si 6 Mg 3 Fe), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 5) α Al (Cu), (α Al + Si ), θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), ε(al 3 Ni) 6), (Al 9 NiFe), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 5) α Al, (α Al + Si ), θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), T(Al 7 Cu 4 Ni), h(al 8 Si 6 Mg 3 Fe), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 5) α Al (Cu), (α Al + Si ), θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), ε(al 3 Ni) 6), (Al 9 NiFe), T(Al 7 Cu 4 Ni), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 5) Oznaczenie chemiczne stpu AlSi10,5Cu2,5Mg0,5Mn0,6Fe0,7 AlSi12Cu1Mg1Ni1Mn0,1Fe0,4 AlSi12Cu2Mg1Ni1Mn0,0Fe0,4 1) Numer wytpu był jedncześnie numerem stpu; 2) stp wytapiany zgdnie z planem dświadczeń, niewielkich trwałych dkształceniach; 3), 4) wzrcwe (prównawcze) siluminy tłkwe z niklem; 5) fazy manganu i/lub żelaza mgą zawierać także miedź, w zależnści d stsunku zawartści Mn : Fe i warunków krzepnięcia siluminów ich mrflgia mże mieć pstać: igieł, płytek, wielbków czy chińskieg pisma ; 6) zawiera niewielkie ilści Fe i/lub Cu; 7) na szarym tle uwidcznine są główne składniki fazwe badanych siluminów. Uwaga! Na szarym tle pkazan elementy fazwe najczęściej występujące w mikrstrukturze. Uzyskane rezultaty dla stpów Nr 17, 26 i 27 w kntekście ddziaływania niklu na trwałe zmiany wymiarów mżliwe są też d wytłumaczenia na bazie teretycznych rzważań prwadznych w rzdziale 5 (vide rys. 5.9a). W uzupełnieniu należy stwierdzić, że niedwracalne dkształcenia mgą być następstwem nie tylk prcesów wydzieleniwych, ale też wszelkich zmian strukturalnych (fazwych) pdłżu dyfuzyjnym, zachdzących w warunkach nierównwagwych. Niedawne publikacje zagraniczne [24, 445] raz dświadczenia autra niniejszeg pracwania [88, 233, 235] pkazują, że dpwiedni dbrane prprcje zawartści miedzi i niklu w siluminach tłkwych typu L-Ex mgą sprzyjać termdynamicznej stabilizacji fazy T(Al 7 Cu 4 Ni), i tym samym zwiększać ich stabilnść wymiarwą. 156

158 10. Wyniki i analiza badań dtyczących wpływu zmiennej zawartści cynku na kntrlwane parametry bezniklweg siluminu stpweg Przeprwadzne wytpy eksperymentalnych siluminów Nr 14 raz 28 31, wzrastających zawartściach cynku (vide pdrzdział 7.3) pddane zstały badanim pdbnie jak stpy wg planu dświadczeń. Analiza ich wyników zaprezentwana zstała w pdrzdziałach Dyskusja zmian właściwści stpu AlSi12,5Cu2,5Mg1,0Mn0,6Fe0,7 Większe zawartści cynku w eksperymentalnych siluminach pwdują bniżenie jeg żarwytrzymałści. Szczególnie intensywny spadek długtrwałej twardści na grąc 350 C ( HB 10/2452/1h ) bserwwan przy zawartściach Zn większych niż 1,240% (rys. 10.1a). Nie dntwan natmiast znaczących różnic w wynikach krótktrwałej (30 s) twardści, wyznaczanej spsbem Brinella w temperaturze pkjwej (rys. 10.1b); gólny ich pzim, we wszystkich przypadkach był dpwiedni wyski, tzn. niec pwyżej 100 HB. a) b) Rys Wpływ zmiennej zawartści cynku na: a) długtrwałą twardść na grąc raz b) krótktrwałą (30 s) twardść mierzną spsbem Brinella w temperaturze k. 20 C HB 350 C 10/2452/1h Z wykresu na rysunku 10.2a wynika, że niewielkie dmieszki cynku (d zawartści 0,5 0,6%) sprzyjają wzrstwi R m w temperaturze pkjwej. Pwyżej tych wartści następuje jednak dść intensywny spadek wytrzymałści. Jedncześnie cynk, w całym badanym zakresie zawartści, ujemnie wpływa na plastycznść A 5 w danych warunkach c ilustruje rysunek 10.2b. Rztwrwe umcnienie przez cynk siluminów stpwych zawierających w swim składzie chemicznym stsunkw duż miedzi raz magnez i mangan jest graniczne. Większe zawartści cynku są wręcz niewskazane, z uwagi na charakter zmian w funkcji R m = f(zn) (vide rys. 10.2a). Pza tym ddatki teg pierwiastka graniczają przypuszczalnie ruch dyslkacji w granicach Al - rztwru stałeg, c przyczynia się d spadku plastycznści stpu (rys. 10.2b). Dlateg też z teg pwdu w dużej 157

159 części znrmalizwanych siluminów stpwych (np. wg PN-EN 1706:2001 raz nrm zagranicznych [61, 67, 177]) jeg (Zn) dpuszczalna zawartść, jak zanieczyszczenia, nie przekracza pzimu 0,5%. Zgdnie z gólnymi zasadami fizykchemicznej analizy [12], bserwwane przy zawartści cynku k. 1,240% wag. zmiany przebiegów rzpatrywanych wielkści wyjściwych świadczą występwaniu w tym bszarze przemian fazwych (pwdwanych np. prcesami wydzieleniwymi). Spadek wysktemperaturwej wytrzymałści R m 350 C dla badaneg bezniklweg siluminu był znaczny, jednakże jej minimalny pzim mieścił się w przedziale MPa, kreślnym w danych warunkach (350 C) przez M. Röhrle [362] dla całej gamy stswanych w Niemczech siluminów tłkwych z niklem. Również wysa) b) Rys Wpływ zmiennej zawartści cynku na: a) wytrzymałść R m raz b) wydłużenie względne A 5 w statycznej próbie rzciągania, w temperaturze pkjwej 350 C Przebiegi zmian 350 C Rm i A5 w funkcji zawartści cynku, na wykresach a i b rysunku 10.3, mają dmienny charakter. W warunkach pdwyższnej temperatury, dla zakresu 0,006 1,240% Zn, następuje prawdpdbnie słabienie rztwrweg mechanizmu umacniająceg, c skutkuje spadkiem wytrzymałści raz wzrstem plastycznści. a) b) Rys Wpływ zmiennej zawartści cynku na: a) wytrzymałść względne A 350 C 5, w statycznej próbie rzciągania w temperaturze 350 C 350 R m C raz b) wydłużenie 158

160 350 C ktemperaturwa plastycznść A 5 (rys. 10.3b) była nie mniejsza d tej bserwwanej w pracy [362] (2,0 9,7%). Z przeprwadznych w pdpunkcie rzważań wynika, że dpwiedni wyski pzim plastycznści zapewnia lepszą dprnść na zmęczenie cieplne, c sprzyja dpuszczaniu siluminów większych zawartściach cynku (d 1,00...1,25%) d wytwarzania stsunkw szerkiej gamy tłków. Również w przebiegach rzszerzalnści cieplnej stpu AlSi12,5Cu2,5Mg1,0Mn0,6- Fe0,7 w funkcji zawartści w nim cynku bserwwan (rys. 10.4a i b) charakterystyczne załamania dla przedziału 0,559 1,775%. a) b) współ- Rys Wpływ zmiennej zawartści cynku na: a) techniczny α czynnik rzszerzalnści cieplnej C tech raz b) fizyczny α 300 C fiz C 300 C Badania αtech raz αfiz wiązały się bwiem, jak w przypadku wysktemperaturwej wytrzymałści i plastycznści (rys. 10.3), z termicznymi bciążeniami. W tych warunkach zachdziły prawdpdbnie przemiany fazwe, pdbne d tych bserwwanych pdczas wysktemperaturwych prób rzciągania. Cynk, w przedziale zawartści d 0,006 d C 1,240%, intensywnie zwiększał rzszerzalnść cieplną mierzną współczynnikiem α tech (rys. 10.4a); rsły też, chciaż inaczej (szczególnie szybk w zakresie 0,006 0,559% Zn), 300 C wartści współczynnika α fiz (rys. 10.4b). Z punktu widzenia przeznaczenia daneg twrzywa są t zjawiska wielce niepżądane, gdyż zwiększają ne niebezpieczeństw zatarcia tłków. Przy większych zawartściach cynku następwał bniżenie rzszerzalnści cieplnej; w tym czasie pgrszeniu ulegały jednakże inne ważne, z punktu widzenia eksplatacji tłków, właściwści (vide rys ) h Ze wzrstem zawartści cynku d 0,006 d 1,775% następwał spadek bjętściwych 500 C [(ΔV/V ) ] trwałych zmian wymiarwych w kierunku ujemnych wartści. Dalej bserwwan niewielki ddatni ich przyrst (rys. 10.5a). W przypadku liniwych dkształceń 500 C [(Δl/l ) ], pkazanych na rysunku 10.5b, gólny przebieg był w zasadzie pdbny; h jednakże dla zawartści 0,559% Zn, wystąpiły trudne d wytłumaczenia ddatnie niedwracalne przyrsty, c wymagał ddatkwych badań sprawdzających. Generalnie należy jednak stwierdzić, iż pzim rejestrwanych trwałych zmian wymiarwych badanych bezniklwych siluminów z cynkiem był niewielki (w pbliżu pzimu zerweg), w prównaniu d stsunkw dużych ddatnich wartści bserwwanych dla siluminów tłkwych z niklem [80, 88, , 246, 247, 328, 333]. 159

161 a) b) Rys Wpływ zmiennej zawartści cynku na trwałe zmiany wymiarwe: a) bjętściwe 500 C 500 C (ΔV/V ) raz b) liniwe (Δl/l ) pwstałe w wyniku iztermiczneg wygrzewania (500 C; 100 h) 0 100h 0 100h Uzyskane eksperymentalnie przebiegi trwałych zmian wymiarwych, w funkcji zawartści cynku, gólnie zgdne są z teretycznymi przewidywaniami pczyninymi przez H.Y. Hunsickera w pracy [165] Określenie stpnia ddalenia bezniklwych siluminów z różną zawartścią cynku d znrmalizwanych stpów z niklem Wykrzystując zaprezentwaną wcześniej metdlgię samrganizujących się sztucznych sieci neurnwych typu Khnena (vide pdrzdział 9.5), pstanwin kreślić stpień ddalania dświadczalnych bezniklwych siluminów Nr 14 raz 28 31, ze zmienną zawartścią cynku, d wzrców AK12 (26) i AK12 (27) z niklem (a dkładnie d wzrca wypadkweg) raz ich umiejscwienie w stsunku d bezniklwych siluminów stpwych bjętych matematycznym planem dświadczeń (stpy Nr 1 25, z niską zawartścią cynku (vide tabela 7.1). W tym celu, przed transfrmacją partą na dwzrwaniu Sammna, tabelę 9.1 (w której, w pzycji 23 w rzeczywistści występują trzy pdbne stpy: Nr 23, 24 i 25) uzupełnin klejne cztery wektry właściwści dla stpów Nr 28 31, twrząc w ten spsób wyjściwą macierz rzmiaru 8 x 31. Kńcwe wyniki bliczeń raz gemetryczną ich prezentację, przy wykrzystaniu prgramwania MATLAB raz pakietu AutCAD, pkazuje rysunek Wyknane przekształcenie wielwymiarwej macierzy w biekty przestrzeni trójwymiarwej (rys. 10.6) pzwalają stwierdzić, że wzrst zawartści cynku w eksperymentalnych stpach (Nr 14, 28 31) gólnie sprzyja ddaleniu ich d wzrca wypadkweg. O ile bezniklwe siluminy Nr 28 i 29 wpisują się w przestrzeń umwnej rbity, z centrum w punkcie wzrca wypadkweg, t stpy Nr 30 i 31 zawartściach Zn pwyżej 1,240% nie spełniają teg kryterium. Oznacza t, że kmpleks kntrlwanych właściwści tych statnich stpów dbiega d pdbneg zestawu charakterystyk dla wzrcwych stpów z niklem [AK12 (26) i AK12(27)]. W pdsumwaniu należy pdkreślić, iż trzymane wyniki przy zastswaniu metdlgii sztucznych sieci neurnwych dbrze krespndują z rezultatami analizy przeprwadznej w pdpunkcie 10.1, ale także z graniczeniami nakładanymi na zawartści cynku w siluminach tłkwych przez krajwe i zagraniczne nrmy państwwe czy zakładwe. 160

162 Rys Rzmieszczenie w przestrzeni trójwymiarwej (p dwzrwaniu Sammna) bezniklwych dświadczalnych siluminów ze zmienną zawartścią cynku (Nr 14 raz 28 31), na tle stpów Nr 1 25 (zgdnie z planem dświadczeń) raz stpów wzrcwych AK12 (26) i AK12 (27) z niklem; w plu wykresu pdan współrzędne x, y, z dla stpów z cynkiem p przekształceniach, a także ich umwne dległści (kreślane w AutCAD-zie w [mm]) d wzrca wypadkweg Analiza składu fazweg stpu AlSi12,5Cu2,5Mg1,0Mn0,6Fe0,7 w zależnści d zawartści w nim cynku Eksperymentalne bezniklwe siluminy z wytpów Nr 14, 28 31, wzrastających zawartściach Zn, pddan także badanim kalrymetrycznym, w celu kreślenia specyfiki zachdzących w nich przemian fazwych w prcesach nagrzewania raz chłdzenia. Rezultaty tych prac pkazane zstały na wykresach a i b rysunku DSC /(mw/mg) ex 0 Peak: C -0.5 Peak: C Peak: C Peak: C -1.0 Peak: C Peak: C Peak: C Peak: C C C a) C C [1.2] [3.2] [4.2] [2.2] [5.2] C DSC /(mw/mg) ex Zn = Zn = Zn = Zn = Zn = 0 b) Zn = Zn = Zn = Zn = Zn = 0 Peak: C Peak: C Peak: C Peak: C Peak: C Peak: C Peak: C Temperature / C Temperature / C Rys Zestawienie wykresów krzywych kalrymetrycznych DSC: a) nagrzewania i b) chłdzenia dla eksperymentalnych siluminów typu AlSi12,5Cu2,5Mg1,0Mn0,6Fe0,7 bez cynku (Nr 14) raz z cynkiem (Nr 28 31) Zaznaczne na krzywych DSC (rys. 10.7a) niewielkie piki, w temperaturwym zakresie 636,8 643,9 C, ptwierdzają znany ze specjalistycznej literatury fakt (np. [384]), że fazy żelaza i/lub manganu w pd- i kłeutektycznych siluminach pwstają przed krystalizacją Al - rztwru stałeg. W przypadku analizwanych tutaj siluminów, w pdanym za- 161

163 kresie temperatury, miała miejsce prawdpdbnie przemiana perytektyczna, z udziałem żelaza i manganu, typu: L + Al 3 Fe + Al 6 Mn (AlFeSi) + (AlMnSi) (vide Załącznik). Na krzywych DSC nagrzewania (rys. 10.7a), w temperaturze z zakresu C, zauważalne są też punkty przegięcia (chciaż autmatycznie nie zstały zaznaczne znakiem + raz wartścią temperatury), świadczące becnści w mikrstrukturze pierwtnych kryształów α Al - fazy. Na wykresie a rysunku 10.7 zabserwwać mżna trzy etapy frmwania się eutektycznej struktury badanych siluminów z cynkiem: I) wystąpienie reakcji w pbliżu charakterystyczneg punktu dla pdwójneg układu Al-Si; w danym bardziej złżnym przypadku eutektyka wzbgacna była przez fazy pierwiastków przejściwych (Fe i Mn), a eutektyczna składwa Al - fazy cynk; II) zachdzenie w temperaturze z zakresu C przemiany typu: L Al + θ(al 2 Cu) + T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) + N(Al 7 Cu 2 Fe); III) pjawienie się w przedziale temperaturwym C łatw tpliwej eutektyki następującym składzie fazwym: Al + θ(al 2 Cu) + (Mg 2 Si) + W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ) [268, 310, 314, 339, 422] (vide też Załącznik). Złżny skład chemiczny stpów Nr 14 i przesuwa niec, w strnę niższej temperatury, punkt przemiany eutektycznej, w dniesieniu d pdwójneg układu Al-Si (577 C; 12,5% Si). Z przebiegów krzywych kalrymetrycznych rysunku 10.7a widać pnadt wyraźnie, że wzrst zawartści cynku w eksperymentalnym bezniklwym siluminie d 0,006 d 2,494% pwduje bniżenie temperatury również innych etapów przemian fazwych 4 7 C. Rezultaty te są zbieżne z infrmacjami pdanymi w pracach [32, 268, 370]. Krzywe DSC chłdzenia (rys. 10.7b) wykazują stsunkw duży stpień przechłdzenia dla pszczególnych punktów przemian fazwych, znacznie dbiegających d tych dla stanów równwagwych; dlateg też dane te były traktwane jedynie jak wspmagające. Ostatecznie z analizy krzywych DSC (na rys. 10.7) wynika, że z pwdu braku dpwiednich pików w temperaturze pniżej 490 C (vide Załącznik), w strukturze badanych siluminów nie występują prawdpdbnie ddzielne międzymetaliczne fazy cynkwe. Na rysunku 10.8 pkazan reprezentatywne mikrstruktury bezniklwych siluminów tłkwych, kłeutektycznej zawartści krzemu, ze zmienną zawartścią cynku. Z bserwacji pchdzących z mikrskpu ptyczneg wynika, że w strukturze stpów Nr 14, 29 raz 31 występują dendryty α Al - rztwru stałeg, niewielka ilść wydzieleń krzemu pierwtneg Si (β Si ), eutektyka krzemwa (α Al + Si ) raz mniej lub bardziej widczne fazy międzymetaliczne. Na mikrftgrafii (rys. 10.8f), dtyczącej siluminu AlSi12,5Cu2,5- Mg1,0Mn0,6Fe0,7 zawierająceg 2,494% cynku, widczne są w bszarach ziaren α Al - rztwru stałeg brunatne przebarwienia (jak efekt działania dczynnika trawiąceg), pkazujące główne miejsce jeg (Zn) lkalizacji w strukturze. Na pdstawie badań kalrymetrycznych raz metalgraficznych (za pmcą mikrskpu ptyczneg) w mikrstrukturze badanych siluminów, z zawartścią cynku dchdzącą d pzimu 2,494% Zn, nie udał się znaleźć jakiejklwiek innej pza Al (Zn)- rztwrem stałym międzymetalicznej fazy cynkwej. Dlateg też w dalszej klejnści były przeprwadzne ddatkwe badania metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM). Na rysunkach 10.9a i 10.10a pkazan reprezentatywne mikrftgrafie, trzymane ze skaningweg mikrskpu elektrnweg, dla stpów Nr 28 i 31, zawierających w swim składzie chemicznym dpwiedni: 0,559 raz 2,494% cynku. Wyniki ilściw-jakściwej mikranalizy rentgenwskiej pzwliły zidentyfikwać niewidczne (lub słab widczne) na strukturach pchdzących z mikrskpu ptyczneg takie m.in. fazy, jak: θ(al 2 Cu), β(mg 2 Si), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ) raz α- i/lub [Al(MnFe)Si]. 162

164 a) b) 20 μm 50 μm d) c) 50 μm 20 μm f) e) 50 μm 20 μm Rys Prównanie mikrstruktur bezniklwych siluminów typu AlSi12,5Cu2,5Mg1,0Mn0,6Fe0,7 z różną zawartścią cynku (w %): a) i b) 0,006 (stp Nr 14); c) i d) 1,240 (stp Nr 29); e) i f) 2,494 (stp Nr 31) 163

165 a) b) cps 15 Al 10 Si α Al (Si,Cu,Zn) 5 0 Cu Zn Energy (kev) Rys Identyfikacja składników struktury w wybranych mikrbszarach próbki (stpu) Nr 28 metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM): a) mikrftgrafia z uwidczniną mrflgią faz; b) widm EDS α Al - rztwru stałeg raz jeg ilściwy pis a) b) cps 8 6 α Al (Si,Zn,Cu) Si Cu Zn Energy (kev) Rys Identyfikacja składników struktury w wybranych mikrbszarach próbki (stpu) Nr 31 metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM): a) mikrftgrafia z uwidczniną mrflgią faz; b) widm EDS α Al - rztwru stałeg raz jeg ilściwy pis Przebiegi raz ilściwe pisy widm EDS badanych stpów, zaprezentwane na wykresach b rysunków 10.9 raz pkazują, że zawartść cynku w α Al - rztwrze stałym wzrasta mniej więcej prprcjnalnie d wielkści jeg becnści w składzie chemicznym stpu. Jedncześnie trzymane rezultaty ptwierdziły, iż w kreślnych warunkach eksperymentów (tj. przy zawartściach Zn sięgających pzimu jedynie 2,494%) nie twrzy n ddzielnej fazy cynkwej (pza wspmnianym już rztwrem stałym). Pwyższe wyniki zgdne są z danymi zawartymi w dstępnych materiałach źródłwych raz z własnymi dświadczeniami. Jak pkazują t wyniki pracy [370], realizwanej m.in. przy udziale autra niniejszeg pracwania, w pdeutektycznych bezniklwych siluminach układu Al-Si-Cu- Mg-Zn nisktpliwe fazy cynkwe pjawiają się w mikrstrukturze (w temperaturze z zakresu C) dpier przy zawartściach cynku równych 10,0% lub wyższych. W niedawn wydanej w W. Brytanii publikacji książkwej [498] stwierdza się również, że (...) cynk w ilści d 12% (c dpwiada maksymalnej jeg zawartści w niektórych przemysłwych stpach układu Al-Si-Zn) mże praktycznie całkwicie rzpuszczać się w Al - rztwrze stałym (...). Przy wyższych jeg zawartściach w siluminach stpwych (pwyżej 10 12%), zawierających ddatkw dpwiednie ilści magnezu, pjawia się faza T(Al 2 Mg 3 Zn 3 ). Ptwierdziły t również wyniki analizy, wyknanej dla teg typu stpów, metdą różnicwej kalrymetrii skaningwej [370]. W tabeli 10.1 zaprezentwane zstały zidentyfikwane na pdstawie badań metalgraficznych (za pmcą mikrskpu ptyczneg raz mikrskpu skaningweg), a także

166 badań kalrymetrycznych (metdą DSC) składniki mikrstruktury eksperymentalnych bezniklwych siluminów z różną zawartścią cynku. Tabela Skład fazwy bezniklwych siluminów ze zmienną zawartścią cynku Nr wytpu 1) Zn, [% wag.] Wyszczególnienie zidentyfikwanych składników mikrstruktury 3) Uwagi 14 0, ) 0,559 α Al, (α Al + Si ), Si, θ(al 2 Cu), S(Al 2 CuMg), (Mg 2 Si), N(Al 7 Cu 2 Fe), T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 4) α Al (Si,Cu,Zn), (α Al + Si ), Si, θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), N(Al 7 Cu 2 Fe), T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 4) w α Al - rztwrze stałym nie dntwan becnści cynku w α Al - rztwrze stałym stwierdzn niewielką becnść cynku 31 2,494 α Al (Si,Zn,Cu), (α Al + Si ), Si, θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), N(Al 7 Cu 2 Fe), T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 4) w α Al - rztwrze stałym stpu Nr 31 był 4 5 razy więcej cynku niż w stpie Nr 28 1) Numer wytpu był jedncześnie numerem stpu i próbki metalgraficznej; 2) plan dświadczeń dla stpów Nr realizwany był w klasycznym układzie, ze wzrastającymi zawartściami Zn (vide tabela 7..3); 3) na pdstawie analizy mikrstruktur uzyskanych z mikrskpu ptyczneg raz z mikranalizy rentgenwskiej EDS; 4) fazy manganu i/lub żelaza typu α- i/lub [Al(MnFe)Si] mgą zawierać także miedź, w zależnści d stsunku Mn : Fe raz warunków krzepnięcia siluminów ich mrflgia mże mieć pstać: igieł, płytek, wielbków czy chińskieg pisma. Uwaga! Na szarym tle pkazan elementy fazwe najczęściej występujące w mikrstrukturze. Z pdaneg w tabeli 10.1 zestawienia wynika, że skład fazwy siluminów z różną zawartścią cynku jest bardz pdbny; jedyna różnica dtyczy w zasadzie α Al - rztwru stałeg. Występujący w badanych stpach magnez, zawartściach nieprzekraczających 1,5%, wiąże się w pierwszej klejnści z krzemem, a ptem z miedzią raz innymi ddatkami, nie twrząc wymieninych w tabeli 3.1 międzymetalicznych faz cynkwych. 165

167 11. Weryfikacja nw pracwanych bezniklwych siluminów typu tłkweg w badaniach labratryjnych raz eksplatacyjnych Zgdnie z pkazanym na rysunku 11.1 schematem prjektwania (syntezy) nwych materiałów, a także technlgii ich wytwarzania, p etapach analizy baz danych materiałwych (vide rzdział 2) raz pracwaniu materiałów próbnych (prttypwych vide rzdział 9) następuje faza empirycznych badań sprawdzających. Rys Algrytm prjektwania i wytwarzania nweg materiału właściwściach spełniających załżne wymagania [110] Według autra pracy prcesy prjektwania i weryfikacji przyjętych załżeń stanwią ważne elementy uzupełniania wiedzy materiałach (stpach) raz spsbach ich wytwarzania [110]. Opracwane bezniklwe siluminy tłkwe, z wykrzystaniem metd matematyczneg planwania dświadczeń i numerycznej ptymalizacji, pstanwin pddać kntrlnym badanim labratryjnym bejmujących zarówn cenę ich pdstawwych mechanicznych właściwści w temperaturze pkjwej (punkt ), jak też identyfikację elementów składu fazweg mikrstruktury (punkty i ). Sprawdzan też w spsób jakściw-ilściwy niektóre technlgiczne właściwści (dlewnicze, jak też te dtyczące zdlnści d bróbki ubytkwej); szerzej nie są ne prezentwane w niniejszym pracwaniu, natmiast wyniki w tym zakresie są pdane w pracach [184, 234]). Kmplekswą weryfikację jedneg z nw pracwanych stpów, znaczaneg umwnie jak AlSi12Cu3,5MgMn (vide tabela 9.5), najbardziej interesująceg z punktu widzenia przyszłych zastswań na tłki, przeprwadzn pprzez test na hamwni silnikwej (punkt ). Teg typu eksplatacyjne badania, nawet przyspiesznym charakterze, pzwalają bardziej całściw cenić nw pracwane twrzyw (stp tłkwy) i chciażby pśredni ptwierdzić zgdnść pzstałych ważnych rbczych parametrów, nieujętych z przyczyn pdanych w pdpunkcie 9.1 w prcedurze ptymalizacyjnej. 166

168 11.1. Kntrlne badania labratryjne W labratrium Zakładu Stpów Metali Nieżelaznych Instytutu Odlewnictwa w Krakwie zstały wytpine, dlane i brbine cieplnie (zgdnie z pisaną w pdrzdziale 7.4 metdyką) nw pracwane bezniklwe siluminy (vide tabela 9.5), znaczne dpwiedni: I, II, IV i V jak pkazuje t tabela W pdbny spsób zstały wytwrzne eksperymentalne siluminy, dpwiadające znanym za granicą stpm (vide tabele 2.8 i 9.5), tj.: III pdeutektyczny AlSi9,5Cu3Mg1 raz VI kłeutektyczny AlSi12Cu3- Mg1. W celach prównawczych dlan też siluminy stpwe z niklem: VII pracwany wcześniej [233], przy udziale autra niniejszeg pracwania, stp typu L-Ex, z zawartścią k. 2,3% Ni; a także VIII znrmalizwany silumin typu AK12 (zgdnie z PN-EN 1706:2001) z k. 1% Ni, dpwiadający wcześniej rzpatrywanemu stpwi Nr 26 (vide tabele 7.2 i 9.4) Wyniki badań właściwści mechanicznych Zakładany skład chemiczny pddanych weryfikacji siluminów tłkwych I VIII (znaczających również numery wytpów), wraz z wynikami analizy spektrmetrycznej, a także rezultatami badań ich pdstawwych mechanicznych właściwści, zestawine zstały w tabeli Zaprezentwane w tabeli wielkści kntrlwanych właściwści mechanicznych dtyczą, pdbnie jak w przypadku stpów wytwrznych zgdnie z planem dświadczeń, stanu laneg raz p bróbce cieplnej (starzeniu). Nie przeprwadzan więc zabiegów plegających na rzdrabnianiu ziaren α Al - rztwru stałeg czy mdyfikacji eutektyki krzemwej, pzwalających na krekty pdanych w tabeli 11.1 pzimów. Teg typu spsby bróbki wyjściweg stpu pzwalają na przykład zwiększać jeg plastycznść, ksztem twardści. Z danych liczbwych pdanych w tabeli 11.1 wynika, że nw pracwane bezniklwe siluminy tłkwe I, II, IV i V nie ustępują pd względem właściwści mechanicznych pdbnym stpm z niklem. Zaskakując wyski ich pzim, dbiegający d wartści prgnzwanych (vide tabela 9.5), zantwan w przypadku bezniklwych siluminów II i V zwiększnych zawartściach żelaza. Dla dwóch pzstałych stpów uzyskan zadwalającą zbieżnść eksperymentalnych wartści z wielkściami ich predykcji na pdstawie mdeli matematycznych. Niezależnie d mżliwści wytwarzania wyskjakściwych pd- i kłeutektycznych siluminów tłkwych przy wykrzystaniu surwców wtórnych ( zwiększnych zawartściach Fe), szczególne zaintereswanie wśród specjalistów wzbudził stp IV. Siluminy kłeutektycznej zawartści krzemu dbrze zarekmendwały się w warunkach przemysłwych, nie tylk z uwagi na siągane pzimy fizykchemicznych (w tym mechanicznych) parametrów, ale także i przede wszystkim ze względu na dbre ich właściwści technlgiczne (dlewnicze, bróbcze i inne). Ptwierdzają t również autrzy niedawn publikwanych prac [24, 110, 445], pdkreślając, że zwiększenie w siluminach tłkwych zawartści krzemu z zakresów pdeutektycznych d kłeutektyczneg pzimu sprzyja nie tylk bniżeniu ich rzszerzalnści cieplnej, ale także pdniesieniu dprnści na ścieranie i zadzieranie, bez bniżenia dprnści krzyjnej; zwiększa się również przy tym wytrzymałść zmęczeniwa szczególnie w temperaturze 350 C i wyższej Badania kalrymetryczne Opisane w punkcie stpy pddan badanim kalrymetrycznym, mających na celu wspmaganie zadania identyfikacji elementów ich struktury. Uzyskany materiał badawczy w tym względzie, graniczny zstanie w niniejszym pracwaniu d analizy p- 167

169 Tabela Skład chemiczny raz prgnzwane i uzyskane w trakcie sprawdzających eksperymentów wartści pdstawwych mechanicznych właściwści (w temperaturze pkjwej) dla wybranych siluminów tłkwych Nr Oznaczenie wytpu 1) stpu Spsób kreślenia Skł ad chemiczny, [% wag.] Wł a ś ciwś ci mechaniczne 5) pdstawwy 3) Spsób Rm Rp0,2 A5 Z HB Si Cu Mg Mn Fe Ni wyznaczenia 4) [MPa] [MPa] [%] [%] [HB] zakładany 10,00 I 2,25 0,85 0,70 0,30 prgnza AlSi10Cu2MgMn z analizy 2) 10,50 2,53 0,86 0,81 0,31 0,009 eksperyment ,9 0,9 98 zakładany 10,50 II 3,10 0,65 0,70 0,70 prgnza AlSi10,5Cu3MgMnFe z analizy 10,85 3,60 0,67 0,77 0,63 0,014 eksperyment ,4 1,1 96 zakładany 9,50 III 3,00 1,00 0,30 0,30 prgnza AlSi9,5Cu3Mg1 z analizy 9,74 3,51 1,09 0,30 0,34 0,011 eksperyment ,1 0,7 102 zakładany 12,25 IV 3,35 0,60 0,45 0,30 prgnza AlSi12Cu3,5MgMn z analizy 12,96 3,53 0,62 0,46 0,29 0,006 eksperyment ,9 0,9 110 zakładany 12,25 V 3,45 0,50 0,65 0,70 prgnza AlSi12Cu3,5MgMnFe z analizy 12,82 3,74 0,52 0,69 0,65 0,009 eksperyment ,0 0,5 123 zakładany 12,00 VI 3,00 1,00 0,30 0,30 prgnza AlSi12Cu3Mg1 z analizy 12,50 3,24 1,07 0,29 0,29 0,009 eksperyment ,0 0,6 118 zakładany 12,25 VII 2,20 0,625 0,45 0,35 2,30 prgnza AlSi12Cu2MgMnNi2 z analizy 13,06 2,39 0,66 0,42 0,30 2,16 eksperyment ,0 0,7 103 VIII AlSi12Cu1Mg1Ni1 zakładany 12,25 1,15 1,15 0,15 0,40 1,05 prgnza z analizy 12,38 1,26 1,25 0,15 0,38 1,07 eksperyment ,3 98 1) stpy I, II, IV i V t zptymalizwane dświadczalne bezniklwe siluminy tłkwe (vide tabela 9.5), stpy III i VI znane z literatury zagranicznej bezniklwe analgii (vide tabele 2.8 i 9.5), VII t prównawczy kłeutektyczny silumin tłkwy typu L-Ex (z zawartścią Ni k. 2,3%) [233] raz stp VIII prównawczy znrmalizwany stp tłkwy typu AK12 zawartści k. 1,05% Ni; 2) wyniki analizy spektrmetrycznej wg PB-7 pchdzące z Raprtu Badania Nr 492/8 Sekcji Analiz Chemicznych IMN OML Skawina; 3) pzimy zawartści kntrlwanych zanieczyszczeń tj.: Cr, Zn, Na, Sr, Ti i Zr w badanych stpach mieściły się w granicach d 0,000 d 0,008% (jedynie w przypadku stpu VIII zawartść Zn wynsiła 0,122%); 4) prgnzwane wartści mechanicznych właściwści dla stpów I VI pchdzą z danych tabeli 9.5; 5) uzyskane pzimy mechanicznych właściwści dtyczą niemdyfikwanych siluminów

170 równawczej dwóch charakterystycznych ich przedstawicieli: a) nw pracwaneg bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn (z wytpu IV) raz b) znrmalizwaneg stpu z niklem AlSi12Cu1Mg1Ni1 typu AK12 (z wytpu VIII) analg stpu Nr 26. W celu ułatwienia fizykchemicznej interpretacji wyników badań kalrymetrycznych wykrzystywan uprządkwane ze względu na temperaturę zestawienie pdane w Załączniku d niniejszeg pracwania, przede wszystkim w dniesieniu d dwu- i wielskładnikwych siluminów układów: Al-Si, Al-Si-X, Al-Si-X-Y. Teg typu dane mgą być również bardz przydatne przy dyskusji wyników badań krystalizacji stpów aluminium wyknywanych metdą analizy termicznej i derywacyjnej (ATD) [ ]. Z przebiegu krzywych DSC nagrzewania i chłdzenia (dpwiedni: linia czerwna i niebieska na rys. 11.1a) dla stpu AlSi12Cu3,5MgMn (IV) wynika, że główną składwą jeg mikrstruktury jest eutektyka krzemwa ( Al + Si ), z ewentualnym niewielkim udziałem faz manganu i/lub żelaza typu: - i/lub [Al(MnFe)Si)]. DSC /(mw/mg) ex Peak: C Onset: C Area: J/g Peak: C Area: J/g 0.50 Peak: C 1 Value: C Peak: C Value: C Peak: C Peak: C Area: J/g Peak: C Temperature / C a) [1.2] [1.3] DSC /(mw/mg) ex Peak: C Area: J/g Peak: C C 2 Onset: C C 1 Peak: C Value: C Area: J/g Peak: C Peak: C Peak: C Temperature / C Na krzywej nagrzewania (rys. 11.2a) występują, chciaż nie zstały autmatycznie zaznaczne, miejsca przegięcia w temperaturze z zakresu C, dpwiadające krystalizacji Al - rztwru stałeg. Z bserwacji pików DSC w temperaturze w pbliżu 530 C raz dla zakresu C wynika natmiast, że w strukturze zsyntezwaneg bezniklweg siluminu spdziewać się mżna pjawienia faz międzymetalicznych z udziałem miedzi i/lub magnezu, takich jak: (Al 2 Cu), (Mg 2 Si) raz W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ). Kniec prcesu krzepnięcia siluminu tłkweg AlSi12Cu3,5MgMn (IV), zawierająceg m.in. pdwyższne zawartści miedzi raz niewielką ilść magnezu, przypada na zakres C, c zgdne jest z wynikami pracy [31]. Jej autrzy zakńczenie krystalizacji pdbneg typu stpu rejestrwali w temperaturze k. 505 C. W przypadku znrmalizwaneg kłeutektyczneg siluminu AK12Cu1Mg1Ni1 (VIII), pik dpwiadającej krystalizacji Al - rztwru stałeg zstał zarejestrwany na krzywej DSC nagrzewania w temperaturze 594,2 C (rys. 11.2b). Pdbnie, jak w przypadku bezniklweg siluminu, w stpie z wytpu VIII duży udział w strukturze ma eutektyka krzemwa. W przedziale temperaturwym C, na krzywych kalrymetrycznych, pjawiały się natmiast znamienne piki; z materiałów źródłwych [32, 268, 310, 315] wynika, że związane są ne z twrzeniem się w tym zakresie temperatury prócz ptrójnej [L α Al + Si + (Mg 2 Si)] czy bardziej złżnej eutektyki z udziałem magnezu faz niklwych, takich jak: (Al 3 Ni), T(Al 7 Cu 4 Ni), (Al 3 Ni 2 ) lub jej dmiany z miedzią [Al 3 (NiCu)], a także N(Al 7 Cu 2 Fe) [vide Załącznik]. W siluminie tłkwym AlSi12Cu1Mg1Ni1 (VIII), jak też w stpie typu L-Ex [AlSi12Cu2MgMnNi2 (VII)], w pbliżu temperatury 500 C występuje łagdny, w przecib) Rys Reprezentatywne krzywe DSC nagrzewania (1) i chłdzenia (2), wraz z elementami przejść przez przemiany fazwe (w pstaci pików), dla: a) nw pracwaneg bezniklweg siluminu tłkweg AlSi12Cu3,5MgMn (z wytpu IV) raz b) prównawczeg siluminu AlSi12Cu1- Mg1Ni1 z niklem (z wytpu VIII) 169

171 wieństwie d bezniklwych siluminów (I VI), przebieg krzywej DSC (vide rys. 11.2b). Pdbneg typu efekty cieplne w siluminach tłkwych bez niklu raz z niklem, rejestrwane metdą analizy termiczn-derywacyjnej (ATD), znaleźć mżna w pracach S. Pietrwskieg [310, 314, 315]. Wyniki badań kalrymetrycznych bezniklweg siluminu ASi12Cu3,5MgMn (IV), na tle znrmalizwanych stpów tłkwych z niklem (AK12 i AK20 wg PN-76/H-88027) raz szeregu innych stpów aluminium zaprezentwan m.in. w pracy [128]. Wzrem tej publikacji, na rysunku 11.3 pkazan zbircze zestawienie pików DSC krzywych kalrymetrycznych dla wszystkich (I VIII) siluminów pddanych badanim weryfikacyjnym. Uzupełnin je analgiczne dane dla znrmalizwanych siluminów z wytpów Nr 26 (stanwiąceg w istcie analg stpu VIII) i 27 (vide tabela 7.2). Rys Zestawienie płżenia maksimów T max, pików DSC, dla eksperymentalnych siluminów badanych metdą kalrymetrii skaningwej w prcesie nagrzewania i studzenia raz ich średnie wartści; wyszczególnine punkty dtyczą prawdpdbnych reakcji: 1) L W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ) + (Al 2 Cu) + (Mg 2 Si) + S(Al 2 CuMg); 2) L (Al 2 Cu) + (Mg 2 Si) + T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) + T(Al 7 Cu 4 Ni) + N(Al 7 Cu 2 Fe) + - i/lub [Al(MnFeCu)Si]; 3) L (Mg 2 Si) + (Al 2 Cu) + T(Al 7 Cu 4 Ni) + h(al 8 Si 6 Mg 3 Fe) + - i/lub [Al(MnFeCu)Si]; 4) L (Mg 2 Si) + (Al 2 Cu) + h(al 8 Si 6 Mg 3 Fe) + ε(al 3 Ni) + ρ(al 9 NiFe) + - i/lub [Al(MnFeCu)Si]; 5) L Al + Si + T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) + - i/lub [Al(MnFeCu)Si]; 6) L Al + (Mg 2 Si) + Al 3 Fe + - i/lub [Al(MnFeCu)Si]; 7) jedna lub więcej faz spśród Al 3 Fe, Al 6 Mn, ε(al 3 Ni), δ(al 3 Ni 2 ), ρ(al 9 NiFe), N(Al 7 Cu 2 Fe), T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ), - i/lub [Al(MnFeCu)Si] zgdnie z perytektyczną reakcją. {Uwaga! W pszczególnych przemianach nie wszystkie fazy muszą wystąpić dla knkretnych siluminów stpwych; zależeć t będzie d ich składu chemiczneg raz warunków krystalizacji} Górne piki z przedziału temperaturweg C, znaczane jak 7 (czerwne) na wykresie rysunku 11.3, dpwiadają pjawianiu się faz żelaza i/lub manganu w pdi kłeutektycznych siluminach, c ptwierdzają dane literaturwe (np. [384]). Z pracy autrów [384] wynika pnadt, że dyspersyjne cząsteczki fazy (AlFeSi) stanwią zardki dla kryształów krzemu, jak fazy widącej eutektyki ( Al + β Si ) [284]. Inneg typu reakcje w badanych siluminach I VIII raz stpie Nr 27 pdane są w wyjaśnieniach d rysunku Obserwwane na wykresie wahania punktów, dnszących się d kreślnych przemian, mgą wskazywać, iż rzeczywiste reakcje (przemiany) są mniej lub bardziej złżne, w zależnści d udziału w reakcjach innych elementów składu chemiczneg analizwaneg stpu. 170

172 Wykresy rysunków 11.2 i 11.3 uwidaczniają, iż metdy kalrymetrii skaningwej w dniesieniu d stpów aluminium (w szczególnści siluminów) są wyjątkw czułe na becnść w stpie knkretneg ddatku stpweg (np. w danym przypadku niklu) czy zanieczyszczenia, a zatem pzwalają w przybliżeniu prgnzwać, pdbnie jak metda ATD, skład fazwy analizwaneg stpu. W uzupełnieniu d badań kalrymetrycznych, zaprezentwane zstały wyniki bserwacji metalgraficznych nw pracwanych (zsyntezwanych) bezniklwych siluminów tłkwych (punkt ) Badania mikrstrukturalne Na rysunku 11.4 pkazan reprezentatywne mikrstruktury, pchdzące z mikrskpu ptyczneg, dla nw pracwaneg pdeutektyczneg bezniklweg siluminu tłkweg AlSi10Cu2MgMn (z wytpu I). Stp ten pdbnie jak pzstałe pddane weryfikacji dlewan d frmy metalwej (kkili), a zatem brabian cieplnie d stanu T5. a) b) 50 μm 20 μm Rys Mikrstruktury pdeutektyczneg bezniklweg siluminu AlSi10Cu2MgMn (wytp I) a) b) cps Al S(Al 2 CuMg) 50 0 Si Mg Fe Mn Cu 5 10 Energy (kev) Rys Identyfikacja składników struktury w wybranych mikrbszarach próbki stpu AlSi10- Cu2MgMn (wytp I) metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM): a) mikrftgrafia z uwidczniną mrflgią faz; b) widm EDS fazy S(Al 2 CuMg) raz jeg ilściwy pis Bezniklwy silumin AlSi10Cu2MgMn zaprjektwany zstał w celu wytwarzania z nieg tłków silników spalinwych na bazie czystych materiałów wsadwych, w których zawartść Fe nie przekracza pzimu 0,3 (max. 0,5)%. W mikrstrukturze stpu AlSi10Cu2- MgMn bserwwan (rys. 11.4a i b) dendryty Al - rztwru stałeg, natmiast w przestrzeniach międzydendrytycznych nieznacznie rzdrbniną eutektykę ( Al + Si ) raz 171

173 wydzielenia fazy (Al 2 Cu). W brębie samych ziaren Al - rztwru stałeg nie były też widczne, na mikrftgrafiach pchdzących z mikrskpu ptyczneg, wtórne fazy wydzieleniwe. Inne międzymetaliczne fazy w nw pracwanym bezniklwym siluminie AlSi10Cu2MgMn (wytp I) pszukiwane były metdą mikranalizy rentgenwskiej, czeg jeden z przykładów prezentuje rysunek Rezultaty tych pszukiwań zstały zaprezentwane, pdbnie jak w przypadku pzstałych stpów, w zbirczej tabeli Na rysunku 11.6 pkazan typwe mikrstruktury zptymalizwaneg bezniklweg pdeutektyczneg siluminu tłkweg AlSi10,5Cu3MgMnFe (z wytpu II), zwiększnych zawartściach żelaza (średni k. 0,7%), przeznaczneg d wytapiania na bazie surwców wtórnych. Mikrftgrafie stpu AlSi10,5Cu3MgMnFe (rys. 11.6), pchdzące z mikrskpu ptyczneg, gólnie są pdbne d tych dla wcześniej rzpatrywaneg siluminu AlSi10Cu2- MgMn (vide mikrstruktury z rys. 11.4) z tą różnicą, że wzdłuż granic Al - rztwru stałeg występuje więcej faz międzymetalicznych szczególnie tych zawierających miedź. Przy stsunkw dużej zawartści żelaza i manganu, nie bserwwan międzymetalicznych faz, takich jak: Al 3 Fe, (Al 5 FeSi) czy α(alfesi) w kształcie chińskieg pisma. Pierwiastki te (Fe i Mn) wchdzą prawdpdbnie w skład bardziej złżnych, wiela) b) 50 μm 20 μm Rys Mikrstruktura pdeutektyczneg bezniklweg siluminu AlSi10,5Cu3MgMnFe (wytp II) a) b) cps Al 100 Al(MnFeCu)Si 50 Si Fe Mn Cu Energy (kev) Rys Identyfikacja składników struktury w wybranych mikrbszarach próbki stpu AlSi10,5- Cu3MgMnFe (wytp II) metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM): a) mikrftgrafia z uwidczniną mrflgią faz; b) widm EDS fazy Al(MnFeCu)Si raz jeg ilściwy pis 172

174 składnikwych faz (związków) typu Al[MnFe(Cu)]Si, przyjaznej dla mechanicznych właściwści mrflgii. Fazy manganu i/lub żelaza, zawierające niewielkie dmieszki miedzi, psiadają budwę w kształcie lekk wyciągniętych płytek (rys. 11.7a) czy też zwartych wielbcznych wydzieleń (rys. 11.8a). a) b) cps Al Al(MnFeCu)Si 50 0 Si Fe Mn Cu 5 10 Energy (kev) Rys Identyfikacja składników struktury w wybranych mikrbszarach próbki stpu AlSi10,5- Cu3MgMnFe (wytp II) metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM): a) mikrftgrafia z uwidczniną mrflgią faz; b) widm EDS fazy Al(MnFeCu)Si raz jeg ilściwy pisy Taka mrflgia wydzieleń Al[MnFe(Cu)]Si jest efektem dpwiednieg stsunku Mn : Fe w siluminie, przy jedncześnie specjalnie dbranych zawartściach pzstałych ddatków stpwych. Tłumaczy na też w pewnym stpniu względnie wyski pzim mechanicznych właściwści bezniklwych siluminów niezależnie d niemałej ilści w nich żelaza (k. 0,7%). W dniesieniu d faz typu Al(MnFe)Si czy Al(MnFeCu)Si, z przewagą zawartści w nich manganu (pza aluminium), d chwili becnej istnieje w specjalistycznej literaturze wiele kntrwersji. Wynika t z faktu, jak zaznaczają t autrzy pracy [29], że gólna budwa wykresu równwagi fazwej stpów Al-Si-Mn-Fe nadal pzstaje biektem badań i dyskusji metalznawców. Głównym prblemem jest becnść w ich mikrstrukturze czterskładnikwej fazy typu AlSiMnFe, innej d tej prezentwanej w pracy [268], t jest: Al 15 (MnFe) 3 Si 2. Według L.F. Mndlf [268], fazie AlMnSi przypisywane są różne wzry, jednakże związek Al 15 Mn 3 Si 2 najbardziej dpwiada jej składwi chemicznemu raz strukturze. Mangan w ptrójnym związku mże być zastępwany przez żelaz d zawartści (w %): 31,0 Fe, 1,5 Mn i 8,0 Si [vide tabela 3.1, fazy - i β(almnsi)]. Szerki zakres jednrdnści traktwany jest jak ptwierdzenie kształtwania się w układzie Al-Si-Mn- Fe fazy typu Al 15 (MnFe) 3 Si 2 [29, 32, 498]. Pwstaje na w stpach Al-Si-Mn-Fe w wyniku perytektycznych reakcji zaprezentwanych w tabeli 11.2 (vide też Załącznik). Tabela Pięcifazwe reakcje równwagwe w stpach układu Al-Si-Fe-Mn [29, 268, 498] R e a k c j a Temperatura, [ C] Skład chemiczny, [% wag.] Si Fe Mn L + Al 6 (MnFe) + Al 3 Fe α Al + Al 15 (MnFe) 3 Si ,75 2,0 0,35 L + Al 3 Fe α Al + α(al 8 Fe 2 Si) + Al 15 (MnFe) 3 Si ,0 5,0 2,0 2,5 0,20 L + α(al 8 Fe 2 Si) α Al + (Al 5 FeSi) + Al 15 (MnFe) 3 Si ,0 10,0 1,0 2,0 0,1 0,5 L + β(al 5 FeSi) α Al + Si + Al 15 (MnFe) 3 Si ,7 0,6 0,20 Przy wzrście zawartści żelaza parametr sieci krystalicznej fazy Al 15 (MnFe) 3 Si 2 zmniejsza się nieznacznie: d a = 12,53 Å (dla 0% Fe) d a = 12,50 Å (dla 31,1% Fe) [268]. Wprwadzenie manganu d stpów Al-Si-Fe znacząc pdwyższa natmiast temperaturę 173

175 likwidus [29]. W stpie Al-Si-Mn-Fe-Cu faza Al 15 (Mn,Fe) 3 Si 2 mże zawierać również miedź i znaczana jest na na wówczas jak: Al 15 (MnFeCu) 3 Si 2 [268]. A.M. Zakharv ze współpracwnikami na pdstawie wyników badań [492] siluminów zawierających (w %): 10,0 14,0 Si, 0,0 4,0 Mn i 0,0 3,0 Fe stwierdzają jednakże, że w układach Al-Si-Mn-Fe pjawić się mże inna czterskładnikwa faza, następującym wzrze chemicznym: Al 16 (MnFe) 4 Si 3 [29, 498]. W związku z tym w pdbneg typu stpach mgą mieć miejsce przemiany fazwe (reakcje) zaprezentwane w tabeli Tabela Reakcje równwagwe w stpach Al-Si-Mn-Fe z udziałem fazy Al 16 (MnFe) 4 Si 3 [29, 492, 498] R e a k c j a Temperatura, [ C] Skład chemiczny, [% wag.] Si Fe Mn L + δ(al 4 FeSi 2 ) β Si + (Al 5 FeSi) + Al 16 (MnFe) 4 Si L α Al + β Si + Al 16 (MnFe) 4 Si ,3 0,29 0,65 L α Al + β Si + α(al 15 Mn 3 Si 2 ) + Al 16 (MnFe) 4 Si ,4 0,52 0,17 L α Al + β Si + (Al 5 FeSi) + Al 16 (MnFe) 4 Si ,3 0,29 0,65 W mikrstrukturach badanych przez A.M. Zakharva i in. siluminach [492], w zależnści d stsunku zawartści w nich manganu i żelaza, bserwwan skład fazwy pdany w tabeli Tabela Skład fazwy stpów układu Al-Si-Mn-Fe, w zależnści d stsunku Mn : Fe [29, 492, 498] *) Mn : Fe *) Temperatura przemiany w układzie, [ C] Fazy występujące w stanie stałym 1,1 574 α Al, Al 16 (MnFe) 4 Si 2, (Al 5 FeSi), Si 1,1 576 α Al, Al 16 (MnFe) 4 Si 2, Si 1,1 575 α Al, Al 16 (MnFe) 4 Si 2, α(al 15 Mn 3 Si 2 ), Si na pdstawie wielu publikacji wiadm, że w zależnści d wartści liczbwej stsunku Mn : Fe faza na bazie związku Al(MnFe)Si [czy Al(FeMn)Si] z niewielkimi ddatkami miedzi lub bez nich mże przybierać kształt: igieł, wyciągniętych w jednym kierunku płytek, wielbków czy też chińskieg pisma Skład chemiczny faz pśrednich, zidentyfikwanych w układzie Al-Si-Mn-Fe [492], pdany zstał z klei w tabeli Na pdstawie zaprezentwanych danych dntwać należy, że rzpuszczalnść Mn w wydzieleniach typu AlFeSi [492] jest bardz mała, pdbnie jak żelaza w fazie α(al 15 Mn 3 Si 2 ); przeczy t infrmacjm pdanym w mngrafii [268]. Tabela Skład chemiczny faz pśrednich występujących w układzie Al-Si-Mn-Fe [29, 492, 498] F a z a Skład chemiczny, [% wag.] Si Mn Fe (Al 5 FeSi) 12,8 3,3 0,8 25,5 26,5 δ(al 4 FeSi 2 ) 25,8 26,4 0,8 25,9 27,8 α(al 15 Mn 3 Si 2 ) 10,2 10,7 27,7 29,5 1,8 *) Al 16 (MnFe) 4 Si 3 10,4 12,0 14,6 19,7 10,4 15,3 *) Wyniki bliczeń składu chemiczneg dla stechimetryczneg związku Al 16 Mn 4 Si 3 (pdbnie jak czynił t autr niniejszeg pracwania dla większści faz międzymetalicznych zamieszcznych w tabeli 3.1) są następujące (w % wag.): 58,68 Al; 29,87 Mn; 11,45 Si. Dla prównania skład chemiczny fazy β(al 10 Mn 3 Si) jak wynika t z tabeli 3.1 jest następujący (w % wag.): 58,31 Al; 35,62 Mn; 6,07 Si. Faza α(al 15 Mn 3 Si 2 ) natmiast, wg bliczeń autra raz danych literaturwych (np. [268]), zawiera (w % wag.): 64,68 Al; 26,34 Mn ; 8,98 Si c niezgdne jest z wynikami prac [29, 492, 498]. Autrzy publikacji książkwych [29, 498] infrmują, że prwadzne niedawn badania układu Al-Si-Mn-Fe w ramach eurpejskieg ramweg prgramu COST50711 ptwierdziły brak w nim inneg czterskładnikweg związku niż ten dntwany przez L.F. Mndlf [268]; wyniki prac pkazały jedncześnie rzległy zakres hmgenicznści fazy Al 15 (MnFe) 3 Si

176 Z prcentweg udziału Fe, Mn i Si w widmie EDS badaneg mikrbszaru raz wyjściweg składu chemiczneg siluminu stpweg (przede wszystkim dtycząceg prprcji Mn : Fe, jak czynin t w pracach [29, 498]), a także na pdstawie infrmacji fizykchemicznych właściwściach międzymetalicznych faz żelaza i/lub manganu mgących w nim wystąpić (w tym szczególnie związanych z ich składem chemicznym, vide tabela 3.1), z dużym prawdpdbieństwem kreślić mżna charakter analizwaneg wydzielenia Al(FeMn)Si (vide rys. 11.9); tj. dpwiedzieć na pytanie: Czy pddany analizie rentgenwskiej mikrbszar struktury bezniklweg siluminu stanwi fazę żelaza czy manganu? Obecnść miedzi w siluminach tłkwych c zazwyczaj ma miejsce pwduje, że w rzpatrywanych fazach występują pewne (chciaż niewielkie) ilści Cu, które nie zmieniają jednak ich gólneg charakteru (w tym mrflgii). Pwyższe rzważania, w świetle czyninej w tym fragmencie pracwania analizy mikrstruktury nw pracwanych bezniklwych siluminów (w których Mn : Fe był 1,0), są bardz ważne, albwiem pdbneg typu fazy manganu i/lub żelaza identyfikwan bardz częst pdczas bserwacji mikrstruktury przy użyciu skaningweg mikrskpu elektrnweg (SEM). Nie rejestrwan natmiast praktycznie w tych badaniach faz żelaza w pstaci igieł, typwych dla znrmalizwanych siluminów, zawierających zwiększne pwyżej 0,5% ilści żelaza raz dla których Mn : Fe był mniejszy (niekiedy znacznie mniejszy) d jednści. Rys Wykres wspmagający identyfikację faz (związków) typu Al(FeMn)Si czy Al[(FeMnCu)Si] w siluminach stpwych, w zależnści d ich składu chemiczneg raz prcentweg udziału Fe, Mn i Si w widmie EDS wydzielenia (pracwanie własne) Na pdstawie przeprwadznej analizy materiałów źródłwych, z dużym stpniem prawdpdbieństwa mżna stwierdzić, iż rzpatrywany za pmcą widma EDS mikrbszar wydzielenia pkazaneg na rysunku 11.7 w kształcie wyciągniętych płytek dpwiada fazie manganwej α(al 15 Mn 3 Si 2 ) lub dkładniej α{al 15 [MnFe(Cu)] 3 Si 2 )}. Natmiast międzymetalicznemu związkwi Al(MnFeCu)Si uwidczninemu na rysunku 11.8, w pstaci wielbku, przypisać należy raczej fazę żelaza α(al 8 Fe 2 Si) lub precyzyjniej α{al 8 [FeMn(Cu)] 2 Si}; birąc pd uwagę stsunek (Mn + Fe):Si w widmie EDS z mikrbszaru teg wydzielenia, nie dtyczy n w nawiązaniu d wykresu rysunku 11.9 ani fazy (Al 10 Mn 3 Si), ani też związku Al 16 (MnFe) 4 Si

177 Na rysunku zaprezentwan z klei mikrstrukturę nw pracwaneg kłeutektyczneg siluminu znaczneg umwnie AlSi12Cu3,5MgMn (z wytpu IV). Psiada n w pełni zadwalający, w dniesieniu d znrmalizwaneg stpu z niklem, pzim mechanicznych właściwści raz dbre a nawet lepsze wskaźniki stabilnści wymiarwej; charakteryzuje g także niezła technlgicznść zarówn c d zdlnści dlewniczych, jak i bróbczych. Struktura stpu AlSi12Cu3,5MgMn, bserwwana za pmcą mikrskpu ptyczneg (rys ), d pprzedniej (rys dla stpu AlSi10,5Cu3MgMnFe) różni się głównie większym udziałem eutektyki krzemwej, c jest knsekwencją dpwiednich pzimów zawartści w nich krzemu. Pza tym w bydwu przypadkach na mikrftgrafiach rysunków 11.6 i łatw jest zauważyć zwiększną, w stsunku d stpu AlSi10Cu2MgMn (vide rys. 11.4), ilść międzymetalicznych faz na granicach ziaren α Al - rztwru stałeg, przede wszystkich tych z miedzią. Pmiędzy mikrstrukturami siluminu tłkweg AlSi12Cu3,5MgMn (rys a i b) i stpu AK12 z niklem (vide rys. 9.24a i b) występuje pdbna różnica w udziale faz w bszarach międzydendrytycznych; w bezniklwym siluminie jest ich znacznie więcej. Wynika t z faktu, że suma zawartści Cu + Mg + Mn + (Ni) w stpie AlSi12Cu3,5MgMn sięga pzimu 4,5% (głównie za przyczyną zwiększnych zawartści Cu), pdczas gdy w znrmalizwanym siluminie stpwym jest k. 1% mniejsza. Na rysunku pkazan przykład z badań struktury nw praca) b) 50 μm 20 μm Rys Mikrstruktura kłeutektyczneg bezniklweg siluminu tłkweg ASi12Cu3,5Mg- Mn (wytp IV) a) b) cps Al Al(MnFe)Cu) Fe Si Mn Cu Energy (kev) Rys Identyfikacja składników struktury w wybranych mikrbszarach próbki stpu AlSi12- Cu3,5MgMn (wytp IV) metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM): a) mikrftgrafia z uwidczniną mrflgią faz; b) widm EDS fazy Al(MnFe)Cu raz jeg ilściwy pis 176

178 waneg bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn (IV) metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM). Pdbne mikrstrukturalne bserwacje i analizy wyknan też w dniesieniu d jeg przemysłweg dpwiednika stpu AlSi12Cu3,5MgMn(P) [z wytpu IV(P)] mdyfikwaneg fsfrem (vide punkt , rys i 11.17). Zestawienie zidentyfikwanych w nich innych, niż za pmcą ptycznej metalgrafii, składników struktury zawiera tabela Z przeglądu specjalistycznej literatury metalznawczej wynika, że w stpach aluminium (w tym także siluminach stpwych), zawierających zwiększne zawartści miedzi i manganu, występwać mgą związki Al(MnFe)Cu zaprezentwane w tabeli Infrmacje dnszące się d tych związków są jednak dść graniczne; najwięcej danych dtyczy fazy Al 6 Mn. Według autrów pracy [498] mże na rzpuszczać w sbie d 0,2% Cu. Z klei L.F. Mndlf [268] pdaje, że fazy Al 6 Mn i Al 6 (FeCu) są izmrficzne i twrzą niegraniczny rztwór stały; przypisywane jest mu następujące znaczenie: (AlCu) 6 (FeCuMn) [268, 498]. Według N.A. Belva i in. [29] żelaz w fazie Al 6 Mn zamienia mangan, w rezultacie czeg pwstaje związek Al 12 FeMn (74,51% Al; 12,85% Fe i 12,64% Mn); fazę Al 6 Mn, zawierającą żelaz i/lub miedź, znacza się częst jak: Al 6 (MnFe) lub Al 6 (MnFeCu) [268]. W dstępnych materiałach źródłwych brak jest jednak infrmacji rzpuszczalnści żelaza w fazie T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) czy Al 12 Mn 2 Cu (tabela 11.6). Tabela Skład chemiczny stechimetrycznych związków typu AlMn(Cu) Typ związku (fazy) Skład chemiczny fazy 1), [% wag.] Al Mn Cu SUMA T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) 64,90 19,82 15, Al 12 Mn 2 Cu 2) 65,12 22,10 12, Al 6 Mn 74,66 25,34 3) 100 1) vide też tabela 3.1; 2) mżliwści wystąpienia teg typu związku (fazy) w stpach Al-Cu-Mn wspmina się w pracach [106, 268, 498]; 3) faza Al 6 Mn mże rzpuszczać w sbie d 0,2% Cu [498] Tymczasem z przeprwadznych badań (metdą mikranalizy rentgenwskiej) wynika, że w wydzieleniach rzpatrywaneg typu, przeważających zawartściach manganu, występują też niemałe ilści żelaza raz miedzi. Z uwagi na becnść Cu nie jest t (analizwane na rys a i b wydzielenie) z pewnścią faza typu Al 6 Mn. Birąc natmiast pd uwagę stsunek sumy zawartści manganu i żelaza d ilści miedzi, w mawianym bezniklwym siluminie (AlSi12Cu3,5MgMn), danemu mikrbszarwi bardziej dpwiada wzór chemiczny Al 12 Mn 2 Cu, aniżeli Al 20 Mn 3 Cu 2 (ten statni dtyczy fazy T vide tabela 3.1). Z danych pchdzących z prac [155, 498] wynika, że związek Al 12 Mn 2 Cu ma rtrmbwy typ sieci krystalicznej, parametrach (nm): a = 2,411; b = 1,251 i c = 7,710; gęstść jeg wznsi 3,59 g/cm 3. Mikrstruktura stpu AlSi12Cu3,5MgMnFe (z wytpu V), na pdstawie badań na ptycznym mikrskpie, praktycznie nie różni się d tej z rysunku (dla stpu AlSi12- Cu3,5MgMn). Również w danym przypadku nie dntwan becnści szkdliwych mrflgicznie faz żelaza. Prawdpdbnie wchdzi n w skład wielskładnikwych faz międzymetalicznych z aluminium, krzemem, miedzią, magnezem i manganem jak w siluminie AlSi10,5Cu3MgMnFe (z wytpu II). Ogólnie należy dntwać zadwalającą zgdnść wyników badania składu fazweg przy zastswaniu metdy różnicwej kalrymetrii skaningwej (DSC) z wynikami mikrstrukturalnych bserwacji. Tabela 11.7 zawiera zbircze zestawienie zidentyfikwanych składników mikrstruktury w pddanych weryfikacji nw pracwanych bezniklwych siluminów. 177

179 Tabela Skład fazwy zsyntetyzwanych bezniklwych siluminów typu tłkweg Nr wytpu 1) 178 I II IV IV(P) Oznaczenie chemiczne stpu 2) AlSi10Cu2MgMn AlSi10,5Cu3MgMnFe AlSi12Cu3,5MgMn AlSi12Cu3,5MgMn(P) Wyszczególnienie zidentyfikwanych składników mikrstruktury 3) α Al, (α Al + Si ), θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), S(Al 2 CuMg), T(Al 6 CuMg 4 ), T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) 4), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i /lub [Al(MnFe)Si] 5) α Al, (α Al + Si ), θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), S(Al 2 CuMg), T(Al 6 CuMg 4 ), N(Al 7 Cu 2 Fe), T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) 4), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 5) α Al, (α Al + Si ), θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), S(Al 2 CuMg), T(Al 6 CuMg 4 ), T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) 4), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 5) α Al, (α Al + Si ), Si, θ(al 2 Cu), (Mg 2 Si), S(Al 2 CuMg), T(Al 6 CuMg 4 ), T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) 4), W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ), α- i/lub [Al(MnFe)Si] 5) 1) numer wytpu był jedncześnie numerem stpu i próbki metalgraficznej; 2) znaczenie chemiczne stpu zgdne z tym pdanym w tabelach 9.5 i 11.1; 3) na pdstawie analizy mikrstruktur uzyskanych z mikrskpu ptyczneg raz danych mikranalizy rentgenwskiej EDS (na szarym tle pkazan składniki mikrstruktury najczęściej występujące na mikrftgrafiach); 4) alternatywą fazy T(Al 20 Mn 3 Cu 2 ) mże być związek Al 12 Mn 2 Cu; 5) fazy manganu i/lub żelaza typu α- i/lub [Al(MnFe)Si] mgą zawierać także miedź, w zależnści d stsunku Mn : Fe i warunków krzepnięcia siluminów, mgą mieć pstać: igieł, płytek, wielbków czy chińskieg pisma. Uwaga! Na szarym tle pkazan elementy fazwe najczęściej występujące w mikrstrukturze Dane tabeli 11.7 pkazują, że w analizwanych siluminach występują tylk niewielkie różnice w składzie fazwym, pza widczną na mikrftgrafiach pchdzących z mikrskpu ptyczneg ilścią występwania α Al - rztwru stałeg i eutektyki (głównie w zależnści d zawartści krzemu), a także rzmiarów i/lub stpnia ich rzdrbnienia. W stpie II występuje faza N(Al 7 Cu 2 Fe), jak następstw równczesnej becnści w składzie chemicznym zwiększnych zawartści miedzi i żelaza; faza ta mże pjawić się również w stpie z wytpu V. Wytwrzny w warunkach przemysłwych silumin AlSi12Cu3,5-MgMn(P) [z wytpu IV(P)] wyróżnia się natmiast tym, że w jeg mikrstrukturze występuje pewna chciaż niewielka ilść krzemu pierwtneg (vide mikrftgrafie rys ). Pdbieństw składników mikrstruktury zptymalizwanych bezniklwych siluminów (tabela 11.7) ze składnikami mikrstruktury eksperymentalneg stpu Nr 17 (vide tabela 9.7), w świetle przeprwadznych w pdrzdziale 9.5 rzważań, prgnzuje dbrą ich stabilnść wymiarwą względem trwałych dkształceń, w testach eksplatacyjnych Ocena bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn(P) w badaniach eksplatacyjnych Spśród nw pracwanych bezniklwych siluminów tłkwych (vide tabela 11.1), największe zaintereswanie wśród praktyków człweg w Plsce prducenta tłków, firmy Federal-Mgul Grzyce S.A., wzbudził stp AlSi12Cu3,5MgMn z wytpu IV. W związku z tym pstanwin sprawdzić jeg przydatnść w próbach silnikwych. Wymagał t wybru jednstki napędwej raz knstrukcji tłka dstępneg w warunkach krajwych. W uzgdnieniu z inżynierami firmy Federal-Mgul Grzyce S.A. raz naukwcami z Instytutu Knstrukcji i Eksplatacji Maszyn Plitechniki Wrcławskiej wybran silnik samchdu Plnez. Tłki silnika Plnez 1500 stwarzały w przeszłści niemał prblemów z jakściwym dbirem, a także w trakcie eksplatacji [233, 234]. Przykładw, w wyniku działania ciepln-mechanicznych bciążeń, w brębie wystających dlnych części płaszcza tłka (w tzw. piórach, w si T T prstpadłej d si swrznia, występwały nadmierne trwałe dkształcenia [233]. Prblemy pdbnej natury, jednak w niec mniejszej skali, występwały w przypadku tłków silnika Plnez 1600 gólnie niższych i ze skrócnymi piórami (rys i 11.19). Uznan je jednak za niełatwy knstrukcyjnie przypadek, dbrze nadający się d sprawdzenia nwych rzwiązań materiałwych. Realizacja teg przedsięwzięcia wymagała wyprdukwania, w warunkach przemysłwych, partii tłków z eksperymentalneg siluminu.

180 Wytwrzenie raz badania próbnej partii tłków W firmie Federal-Mgul Grzyce S.A. przeprwadzny zstał wytp nw pracwaneg bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn(P) [IV(P)], z któreg dlan zgdnie z bwiązującą w zakładzie technlgią partię 100 sztuk tłków silnika Plnez 1600 raz próbki wytrzymałściwe. W dróżnieniu d stpu AlSi12Cu3,5MgMn, badaneg labratryjnie w Instytucie Odlewnictwa w Krakwie, w warunkach przemysłwych pdbny stp pddan mdyfikacji fsfrem, w celu uzyskania struktury ziarnistej wydzieleń krzemu eutektyczneg. Zabieg ten d lat stswany jest w praktyce przemysłwej w dniesieniu d kłeutektycznych siluminów tłkwych. Jeg celem jest, zgdnie z zaleceniami literaturwymi [328, 330, 376], pdwyższenie żarwytrzymałści i wytrzymałści zmęczeniwej (szczególnie w pdwyższnej temperaturze) raz wzrst tryblgicznych właściwści (głównie dprnści na ścieranie). Ziarnista struktura eutektyki krzemwej zapewnia pnadt mniejszą skłnnść stpu d twrzenia mikrprwatści skurczwej i gazwej. Skład chemiczny stpu AlSi12Cu3,5MgMn(P) był następujący (w %): 11,80 Si; 3,45 Cu; 0,64 Mg; 0,36 Mn; 0,27 Fe; pzstałe Al; zawartść Ni i Zn wynsiła przy tym 0,03%, a Ti 0,05%; natmiast ilści innych zanieczyszczeń tj.: Ca, Be, Li, Na, Sr, V, Zr, Cr, Sn i Sb nie przewyższały wartści z zakresu 0,001 0,011%; stężenie fsfru w stpie, p zabiegu mdyfikacji, równe był 0,007%. Z dświadczeń autra wynika, że każde nwe rzwiązanie dtyczące twrzywa tłkweg wymaga dprecyzwania parametrów bróbki cieplnej [233, 234, 236]. W dniesieniu d dlewanych tłków ze stpów aluminium w kkilach, dstatecznym stpniu przesycania, bróbka ta plega najczęściej jak w danym przypadku na sztucznym starzeniu (stan T5). Opracwany zstał specjalny prgram raz wyknan w warunkach przemysłwych (Federal-Mgul Grzyce S.A.) szereg dświadczeń, mających na celu zbadanie wpływu temperatury i czasu starzenia na takie kntrlwane techniczne parametry dbiru tłków, jak: wytrzymałść na rzciąganie R m i twardść HB wyznaczane w temperaturze pkjwej raz stabilnść wymiarwa ceniana na bazie ściśle kreślneg, dla daneg typu tłków, cieplneg cyklu bciążeniweg. Twardść raz parametry stabilnści wymiarwej mierzne były bezpśredni na gtwych tłkach, tj. p zakńczeniu dlewania, bróbki cieplnej i wykańczającej bróbki ubytkwej. Temperatura starzenia w danym przemysłwym eksperymencie była na pzimach: 210 i 230 C; natmiast czas: 4 i 8 h. Zaprpnwany plan dświadczeń bejmwał jedynie trzy warianty sztuczneg starzenia: 1) 210 C/4 h, 2) 210 C/8 h raz 3) 230 C/8 h. Jednakże infrmacje płynące z jeg realizacji były wystarczające d pdjęcia dalszych technlgicznych decyzji, związanych z statecznym wybrem parametrów sztuczneg starzenia tłków przeznacznych d badań silnikwych. Wspmnianym dmianm bróbki cieplnej (sztuczneg starzenia) pddane były też próbki wytrzymałściwe dlewane w kkili na gtw, tj. bez pddawania ich późniejszej bróbce ubytkwej. Graficzną prezentację kńcwych wyników pmiarów wytrzymałści na rzciąganie (R m ) w temperaturze pkjwej (znaczanej na pdstawie 6 prób, dla daneg wariantu bróbki cieplnej), dla przemysłweg wariantu stpu AlSi12Cu3,5MgMn(P), w zależnści d parametrów sztuczneg starzenia, pkazują wykresy na rysunku Wynika z nich, że decydujący wpływ na wytrzymałść miał czas starzenia (rys a), natmiast pzim temperatury praktycznie nie miał tutaj znaczenia. Eksperymentalny bezniklwy silumin charakteryzwał się względnie wyskim pzimem wytrzymałści; nawet w skrajnym przypadku starzenia w temperaturze 230 C, w czasie 8 h wartść R m wynsiła 235 MPa (vide rys b); taki pzim wytrzymałści wynikał m.in. z typu wykrzystywanych próbek dświadczalnych (z naskórkiem). 179

181 a) b) Rys Zmiany wytrzymałści R m w próbie rzciągania w temperaturze pkjwej (na ddzielnie lanych próbkach), dla przemysłweg wariantu bezniklweg siluminu tłkweg AlSi12- Cu3,5MgMn(P) [z wytpu IV(P)], w zależnści d parametrów sztuczneg starzenia Wyniki pmiarów twardści HB tłków dlanych z nweg bezniklweg siluminu (mdyfikwaneg fsfrem), a ptem brbinych cieplnie pkazują z klei wykresy a i b na rysunku a) b) Rys Zmiany twardści HB tłków (mierzne na ich denku) w temperaturze pkjwej, dla przemysłweg wariantu bezniklweg stpu AlSi12Cu3,5MgMn(P) [z wytpu IV(P)], w zależnści d parametrów sztuczneg starzenia Ostateczny wynik twardści dla daneg wariantu bróbki cieplnej (sztuczneg starzenia) stanwi średnią z 8 znaczeń. W przeciwieństwie d R m większy wpływ na HB badaneg stpu miała temperatura starzenia (rys ). Obserwwany na wykresie a rysunku pewien chciaż niewielki wzrst twardści świadczy tym, że dla warunków starzenia: 210 C i 4 h prcesy wydzieleniwe d kńca nie zaszły. Im wyższa była temperatura bróbki cieplnej, tym mniejszy bserwwan pzim HB. Jednakże, nawet przy stsunkw wyskiej temperaturze (230 C) i maksymalnym czasie starzenia (8 h), uzyskane wartści twardści były stsunkw wyskie (średni na pzimie 111 jednstek HB, wykres b na rys ). Jak już wcześniej wspmnian, stabilnść wymiarwą cenian na tłkach p zakńcznym cyklu prdukcyjnym. Warunki bciążeń cieplnych w próbie stabilnści wymiarwej, zgdnie z wymaganiami technicznymi bwiązującymi u prducenta tłków, były następujące: temperatura wygrzewania: 240 C; czas: 15 h. Trwałe zmiany wymiarwe tłków cenian na pdstawie pmiarów ich średnic w dwóch płaszczyznach: P P równle- 180

182 głej d si swrznia raz prstpadłej d niej T T, w miejscach pkazanych na rysunku Wynikiem zmian była różnica w średnicy tłka c d bezwzględnej wartści ( ΔD ), wyrażna w mikrmetrach kreślana na pdstawie jej pmiarów przed raz p bciążeniu cieplnym. Badanim pddan p trzy tłki, wyknane z bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn(P), przypadające na każdy wariant sztuczneg starzenia; w sumie więc w eksperymentach związanych z badaniem twardści raz stabilnści wymiarwej wykrzystan 9 tłków. Pmiary średnic przeprwadzan w kntrlwanych warunkach labratrium przemysłweg (w temperaturze k. 20 C), przy użyciu długścimierza Abbeg, z dkładnścią 1 m. Rys Schemat pmiarwy eksperymentalnych tłków w trakcie badań stabilnści wymiarwej w warunkach przemysłwych Zbircze zastawienie wielkści różnic średnic tłków przed i p bciążeniu cieplnym raz ich średnich wartści w próbie stabilnści wymiarwej, w zależnści d parametrów sztuczneg starzenia zawiera tabela Tabela Wyniki badań trwałych zmian wymiarwych tłków, dlanych z bezniklweg siluminu tłkweg AlSi12Cu3,5MgMn(P), w zależnści d parametrów bróbki cieplnej Nr tłka Pmiar w przekrju i na wyskści Trwałe zmiany wymiarwe średnic tłków ΔD, [ m] Parametry bróbki cieplnej (sztuczneg starzenia): 210 [ C]/4 [h] 210 [ C]/8 [h] 230 [ C]/8 [h] T T, 63 [mm] /G T T, 42 [mm] T T, 10 [mm] P P, 63 [mm] T T, 63 [mm] /G T T, 42 [mm] T T, 10 [mm] P P, 63 [mm] T T, 63 [mm] /G T T, 42 [mm] T T, 10 [mm] P P, 63 [mm] Suma: Wartść średnia: Uwaga! Pdbnie uśrednina cena trwałych zamian wymiarwych dla tłków dlanych ze znrmalizwaneg siluminu tłkweg (typu EN AC-48000) z niklem i brbineg cieplnie d stanu T5 (w temperaturze C; w czasie 8 h) wynsiła 15,5 [ m] (vide też tabela 11.9). Graficzną prezentację kńcwych wyników badania stabilnści wymiarwej tłków pkazują natmiast wykresy na rysunku

183 a) b) Rys Zmiany średnich trwałych dkształceń D tłków, wyknanych z bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn(P) [wariant przemysłwy], w zależnści d parametrów sztuczneg starzenia Z przebiegu zmian D w funkcji parametrów bróbki cieplnej wynika, że zarówn dłuższy czas (rys a), jak i wyższa temperatura (rys b) sztuczneg starzenia krzystnie wpływają na zmniejszenie trwałych (niedwracalnych) dkształceń w warunkach eksplatacyjnych bciążeń cieplnych (pprdukcyjnych, niezwiązanych z bróbką cieplną). Analiza wykresów przedstawinych na rysunkach 11.12, i pkazuje, że stsując sztuczne starzenie w temperaturze 230 C w ciągu 8 h uzyskuje się wyski stpień stabilizacji wymiarwej tłków wytwrznych ze stpu AlSiCu3,5MgMn(P), przy jednczesnym zachwaniu w pełni zadwalających właściwści mechanicznych: R m 235 MPa, HB 111 jednstek HB. W celach prównawczych, w tabeli 11.9 zaprezentwane zstały pdbne parametry dla lsw wybraneg znrmalizwaneg siluminu tłkweg EN AC (EN AC- AlSi12CuNiMg) z niklem, przeznaczneg d dlewania w warunkach przemysłwych analgicznych knstrukcyjnie tłków. Tabela Przykładwe właściwści znrmalizwaneg kłeutektyczneg siluminu tłkweg EN AC (EN AC-AlSi12CuNiMg) z zawartścią k. 1% niklu, przeznaczneg d dlewania rzpatrywanej knstrukcji tłków 182 Oznaczenie stpu EN AC EN AC- AlSi12CuNiMg (AK12) Charakterystyka stpu Skład chemiczny 1), [% wag.] Si: 11,67 12,73; Cu: 1,11 1,48; Mg: 1,01 1,25; Ni : 0,97 1,16; Mn 0,18; Fe 0,67; Zn 0,03; pzstałe Al. Rdzaj i parametry bróbki cieplnej T6: 1) przesycanie: 510[ C] /3[h]; 2) sztuczne starzenie: 230[ C] /6[h] Wytrzymałść na rzciąganie R m, [MPa] Kntrlwane właściwści Twardść wg Brinella HB, [HB] Trwałe zmiany wymiarwe D, [ m] ,5 2) 1) Stp pddan mdyfikacji fsfrem; 2) wielkść uśrednina na pdstawie 12 pmiarów w płaszczyznach T T raz P P, pdbnie jak w tabeli 11.8 dla daneg wariantu bróbki cieplnej. Uwaga! Wyjątkw duże trwałe zmiany wymiarwe tłków ze stpu EN AC (typu AK12) wynikają nie tylk z ich składu chemiczneg (niekrzystneg stsunku zawartści Cu i Ni raz pdwyższnej zawartści Fe), ale są też następstwem stswania przesycania w prcesie bróbki cieplnej. Prównanie pdstawwych właściwści mechanicznych (R m i HB) raz stabilnści wymiarwej (cenianej jak D ) bezniklweg siluminu stpweg AlSi12Cu3,5Mg- Mn(P) (vide rys , i 11.15) z pdbnymi wielkściami dla znrmalizwaneg siluminu tłkweg (EN AC-AlSi12CuNiMg), zaprezentwanymi w tabeli 11.9 pkazuje, że są ne d siebie zbliżne.

184 Dla dlanych w warunkach przemysłwych z bezniklweg siluminu tłków, mających przejść badania eksplatacyjne w próbie silnikwej, wybran statecznie na pdstawie wstępnych badań następujące parametry bróbki cieplnej (sztuczneg starzenia): temperatura 230 C; czas 8 h. Z dknanej analizy wynika, że zaprpnwane parametry bróbki cieplnej pwinny zapewnić nie tylk dbrą stabilnść wymiarwą tłkm, ale także prównywalny pzim mechanicznych właściwści, w dniesieniu d znrmalizwaneg siluminu tłkweg z niklem. Na rysunku pkazan reprezentatywną mikrstrukturę bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn(P) [z wytpu IV(P)] zastswaneg d wytwrzenia tłków. a) b) 50 μm 20 μm Rys Mikrstruktura bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn(P) [wytp IV(P)], dlaneg d kkili i sztucznie starzneg (230 C; 8 h) Mikrftgrafie badaneg stpu (rys ) uwidaczniają liczne skupiska eutektyki krzemwej ( strukturze ziarnistej), dendryty Al - rztwru stałeg, niemałą ilść związków międzymetalicznych wzdłuż granic ziaren (głównie na snwie miedzi), a także w miarę równmiernie rzłżne wydzielenia krzemu pierwtneg typwe dla kłeutektycznych siluminów mdyfikwanych fsfrem. Analiza prównawcza wykresów różnicwej kalrymetrii skaningwej dla stpu AlSi12Cu3,5MgMn wytwrzneg w warunkach labratryjnych (vide punkt ) raz jeg przemysłweg dpwiednika AlSi12Cu3,5MgMn(P) pkazała, że piki na krzywych DSC pjawiają się w zasadzie w pdbnych miejscach na skali temperaturwej. Jedyna różnica dtyczy, wykazały jak t również badania metalgraficzne, becnści krzemu pierwtneg (β Si ) w siluminie wariantu przemysłweg. Na pdstawie badań kalrymetrycznych, psiłkując się danymi Załącznika, zabserwwan występwanie na krzywych nagrzewania stpu z wytpu [IV(P)] ekstremów, dpwiadających kreślnym przemianm, a tym samym uczestniczącym w nich faz; w szczególnści dtyczyły ne: a) Al - rztwru stałeg; b) eutektyki krzemwej ( Al + Si ); c) faz manganu i/lub żelaza typu - i/lub [Al(MnFe)]Si; d) eutektyki Al + Si + (Mg 2 Si) + (Al 2 Cu) raz e) krzepnącej w temperaturwym zakresie C eutektyki, z udziałem wielskładnikwej fazy W, typu: Al + Si + (Al 2 Cu) + W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ). W dniesieniu d przemysłweg wariantu nw pracwaneg siluminu tłkweg, przeprwadzne zstały również badania metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM). Ich celem była, pdbnie jak w przypadku badań kalrymetrycznych, chęć mżliwie pełneg zidentyfikwania elementów składu fazweg. Jeden z przykładów teg typu badań pkazany zstał na rysunku 11.17, który ptwierdza występwanie w mikrstrukturze pracwaneg stpu wielskładnikwej fazy W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ). 183

185 a) b) cps Al 100 W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ) 50 0 Si Mg Cu 5 10 Energy (kev) Rys Identyfikacja składników struktury w wybranych mikrbszarach próbki stpu AlSi12Cu3,5MgMn(P) [z wytpu IV(P)] metdą mikranalizy rentgenwskiej (SEM): a) mikrftgrafia z uwidczniną mrflgią faz; b) widm EDS fazy W(Al 5 Si 6 Mg 8 Cu 2 ) raz jeg ilściwy pis Ostateczne wyniki prac, mających na celu identyfikację składu fazweg stpu Al- Si12Cu3,5MgMn(P), przy zastswaniu mikrskpii ptycznej, skaningweg mikrskpu elektrnweg (SEM) raz krzywych kalrymetrycznych DSC, zestawine zstały w tabeli P przeprwadznych badaniach stabilnści wymiarwej raz twardści, pzstałe z partii 100 sztuk tłki zstały brbine cieplnie d stanu T5, a następnie pddane wykańczającej bróbce ubytkwej d nminalnych wymiarów. Z teg zbiru lsw wybran 4 tłki, z przeznaczeniem d badań silnikwych (vide punkt ). Pzstałe tłki puszczn d brtu handlweg (a zatem eksplatacji), razem z tłkami dlanymi ze znrmalizwaneg stpu EN AC (typu EN AC-AlSi12CuNiMg). Od teg czasu, p upływie 4 5 lat, nie dntwan żadnych uwag czy reklamacji Wyniki testu silnikweg tłków na hamwni Wprwadzenie nwych rzwiązań materiałwych w budwie silników spalinwych pdbnie jak knstrukcyjnych czy technlgicznych wymaga prócz prac charakterze labratryjnym, przeprwadzenia testów eksplatacyjnych. Trwałść tłków bardziej realistycznie ceniana jest w pracującym silniku. Czas trwania próby silnikwej, ze wzrstem któreg rsną też kszty, jest zazwyczaj skracany pprzez zwiększenie mechanicznych i/lub cieplnych bciążeń, a także wzrst ich częsttliwści [462]. W pierwszej klejnści, przed badaniami w terenie, wyknuje się próby silnikwe na hamwni, zgdnie z kreślnym prgramem bciążeń (w danym przypadku pdanym w tabelach i 11.11). Celem badań na hamwni silnikwej był dknanie gólnej ceny prawidłwści współpracy tłków z tuleją cylindrwą silnika wraz z pmiarem stpnia ich zużycia dla nweg bezniklweg siluminu tłkweg AlSi12Cu3,5MgMn(P), w prównaniu d analgicznych cen dla znrmalizwaneg stpu EN AC (typu AK12) z niklem [234]. Specyfika badań silnikwych Próba silnikwa przeprwadzna była na hamwni w Labratrium Pjazdów Samchdwych i Silników Spalinwych Instytutu Knstrukcji i Eksplatacji Maszyn Plitechniki Wrcławskiej. 184

186 Jednstkę napędwą stanwił cztercylindrwy w układzie jednrzędwym benzynwy silnik Plnez 1600 zapłnie iskrwym, z gaźnikwym układem zasilania (vide rys ). Stanwisk wypsażne był w hamulec typu Alfa 240, firmy AVL (Austria). Trwałściwa próba tłków, z bezniklweg stpu AlSi12Cu3,5MgMn(P), prwadzna była w układzie zmiennych d wyskich d niskich bciążeń silnika, realizwanych w relatywnie krótkich dstępach czasu. Cztercylindrwy silnik pzwalał na jednczesne badanie dwóch tłków, dla każdeg z wymieninych wyżej twrzyw materiałwych. W cylindrach 1. i 2. zamntwan tłki seryjne ze znrmalizwaneg stpu tłkweg z niklem, natmiast w cylindrze 3. i 4. tłki z dświadczalneg bezniklweg siluminu. Precyzyjne pmiary tłków (z dkładnścią ±1 m) przed i p próbie silnikwej wyknywan przy użyciu długścimierza Abbeg. Schemat pmiarwy tłków stswany pdczas badań silnikwych pkazuje rysunek Rys Widk hamwni z wykrzystywaną d badań jednstką napędwą (silnikiem spalinwym) Rys Schemat pmiarwy tłka Prgram i realizacja testu silnikweg tłków na hamwni Schemat dcierania eksperymentalnych tłków, według 12-gdzinneg prgramu, zaprezentwan w tabeli W trakcie jeg realizacji nie wystąpiły żadne zakłócenia ruchwe czy też jakieklwiek stany awaryjne. Czas zasadniczej, przyspiesznej, próby trwałściwej tłków wynsił 30 gdzin. Przyjęt w niej cykl pracy, dpwiadający ruchwi silnika ze zmiennym bciążeniem cieplnym, w zakresie temperatury cieczy chłdzącej d 50 d 98 C. Cykl ten był czterfazwy 185

187 i bejmwał: 1) bciążenie, 2) bieg jałwy, 3) bciążenie, 4) bieg jałwy; szczegóły dtyczące jeg technicznych parametrów zawiera tabela Tabela Prgram bciążeń silnika w trakcie dcierania tłków Parametry bciążenia Fazy bciążenia Prędkść brtwa, [br/min] Mment brtwy, [N m] Czas bciążenia, [min] Tabela Charakterystyka jedneg cyklu bciążeniweg silnika Parametry bciążenia Fazy bciążenia Prędkść brtwa, [br/min] 3000 luz 4500 luz Mment brtwy, [N m] Czas bciążenia, [min] W ciągu 30 gdzin próby trwałściwej silnik wypsażny w tłki z siluminu AlSi12Cu3,5MgMn(P) raz ze znrmalizwaneg siluminu typu EN AC (typu AK12) przeszedł statecznie 30 cykli bciążeniwych (tabela 11.11). Dświadczenie eksperymentatrów-silnikwców pkazuje, że pdbneg typu schemat bciążeniwy dużej zmiennści temperatury, w stsunkw krótkim czasie pwduje na gół znaczne zużycie tłków. W związku z tym przeprwadzenie przyspieszneg badania trwałści tłków według przyjęteg prgramu, również w danym przypadku, pwinn dać dpwiedź c d gólnej jakści nweg materiałweg rzwiązania. Wyniki testu silnikweg P zakńczeniu próby ruchwej wyknan demntaż silnika; ptem przystąpin d ględzin ważniejszych elementów knstrukcyjnych związanych układem tłkwkrbwym; w szczególnści sprawdzan: tłki, gładzie tulei cylindrwych raz głwice. W trakcie przeglądu nie stwierdzn uszkdzenia któregklwiek detalu; ich gólny wygląd był prawidłwy. Na tulejach cylindrwych i pbcznicy tłków nie wystąpiły zatarcia czy też inne uszkdzenia. Odntwan jedynie nieznaczne wybłyszczenia warstwy grafitu na części prwadzącej tłków, c jest stanem nrmalnym; przy tym efekty te były bardziej widczne w klicy piór na tłkach ze znrmalizwaneg stpu z niklem (rys a), w prównaniu d tłków wyknanych z bezniklweg siluminu (rys b). a) b) Rys Widk zdemntwanych tłków p próbie trwałściwej: a) ze znrmalizwaneg siluminu tłkweg z niklem typu AK12; b) z bezniklweg siluminu AlSi12Cu3,5MgMn(P) 186