Силуміни для поршнів з високим вмістом кремнію: металознавчі аспекти, особливості виробництва та перспективи
Processy litʹâ, 2019, Tom 135, №3, p.14-32
Ключові слова:
поршневий силумін, злиток, первинний кремній, технологічна пластичність, модифікування, подвійні оксидні плівкиАнотація
Поступила 17.04.2019
УДК 621.746.6:669.715-41
В огляді перераховано вимоги до матеріалу поршня сучасних важко навантажених двигунів і приведено хімічний склад найбільш поширених марок поршневих силумінів з високим вмістом кремнію. Переважно, це сплави, які містять 16−25 % Si і легуються Cu, Mg, Ni. Викладено коротку характеристику основних способів виробництва поршнів із заевтектичних сплавів, серед яких особливе місце займає ізотермічне штампування (кування). Схильність до деформування поршневих силумінів в ході кування суттєво залежить від розмірів і однорідності розподілу структурних складових, перш за все, первинних кристалів кремнію, об’єму розсіяної пористості, кількості залишкового водню і проявів гравітаційної ліквації кремнію у виливку. Розглянуто особливості зародження і росту кристалів первинного кремнію, що визначають рівень механічних властивостей сплавів. На кількість і розміри кристалів кремнію переважний вплив мають температурно-часові умови охолодження виливка і наявність в розплаві активних ізоморфних тугоплавких часток. Розглянуто способи підвищення технологічної пластичності виливків силумінів з високим вмістом кремнію, перш за все, модифікування лігатурами на основі фосфору. Представлено нові погляди на механізми гетерогенного зародкоутворення кремнію і роль оксидних включень, серед яких особливо шкідливими є згорнуті оксидні біплівки, у формуванні литої структури. Перспективи виробництва високоякісних поршневих сплавів висвітлюються в аспекті модифікування дисперсними лігатурами систем Al-P і Al-Si-P і складного багатоступінчастого рафінування.
Посилання
Pistons and engine testing. Mahle GmbH, Vieweg+Teubner Verlag, 2012, 284 р. [in English].
Aqeel, A., Wahab, M. S., Raus, A. A., Kamarudin, K., Qadir Bakhsh & Danish Ali (2016) Mechanical Properties, Material and Design of the Automobile Piston: An Ample Review. Indian Journal of Science and Technology, Vol. 9 (36), pp. 1–7 [in English].
Аfanas’ev, V. К., Gladishev, S. А., Еfimenko B. S. (2005) Porshnevie silumini: uchebnoe posobie. Кеmerovo: Poligraf, 161 p. [in Russian].
Belov, N. А., Belov, V. D., Savchenkо, S. V., Samoshina, М. Е., Chernov, V. А., Аlabin А.N.(2011) Porshnevie siluminy. Мoscow: Izd. dom «Ruda i metally», 248 p. [in Russian].
Afanas’ev, V. K., Gorshenin, А. V., Popova, М. V., Prudnikov, А.N., Starostina, М. А. (2010) About influence of silicon on the temperature expansion of aluminum. Metallurgiya mashinostroeniya, no. 6, pp. 23–26 [in Russian].
Коshelev, P. F., Belyaev, S. Е. (1967) Prochnost’ i plastichnost’ konstruktsionnih materialov pri nizkih temperaturah: spravochnoye posobie. Мoscow: Маshinostroenie, 364 s. [in Russian].
Belov, V. D. (2005) Piston siluminum. Vestnik МGТU im. G.I. Nosova, no1 (9), pp. 32–37 [in Russian].
ASTM B 26/B 26M Standard Specification for Aluminum-Alloy Sand Castings.
ASTM B 108/ B 108М Standard Specification for Aluminum-Alloy Permanent Mold Casting.
ASTM B 85 Standard Specification for Aluminum-Alloy Die Casting.
Lobanov, V. К., Chuykova, Е. V. (2009) Materials science and a choice among technologies to produce engine pistons. Vestnik KHNADU, no. 36, pp. 46–49 [in Russian].
Теmyanko, L. S., Namazon, Е. I. (1989) Die automatic casting the pistons for wheel cylinder bodies. Kuznetchno-shtampovoe proizvodstvo, no.13, pp. 15–19 [in Russian].
Lobanov, V. К., Lyubchenko, А. B., Bosin, Е. Е., Коstomarov, А. N., Коsovtsev, А. N. (2001) Bimetal die cut pistons for high loaded engines. Mekhanika ta mashinobuduvannya, no. 1–2, pp. 14–22 [in Russian].
Midson, S., Keist, J.& Svare J. (2002) Semi-Solid Metal Processing of Aluminum Alloy A390. Proceedings of the SAE World Congress (4–7 March 2002). Detroit: MI, pp. 112–125 [in English].
Atkinson, H. V., Ward, P. J. (2008) Thixoforming of Hypereutectic Al/Si Automotive Pistons. Solid State Phenomena, Vols. 141–143, pp. 201−206 [in English].
Voronov, S. М., Samorukov, I. А. (1933) Issledovanie splavov tipa siluminum. Мoscow: Меtallurdizdat, 100 p. [in Russian].
Eskin, G. I., Pimenov, Yu. P. (1996) Fabrication of semifinished items from hypereutectic siluminum. Tehnologiya legkih splavov, no. 2, pp. 51–55 [in Russian].
Prudnikov, А. N. (2009) Technology to produce, structure and properties of engine pistons from hypereutectic wrought siluminum. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya, no. 5, pp. 45–48 [in Russian].
Prudnikov, A. N. (2009) Deformable heatproof transeutectic sillumin for pistons. Steel in Translation, Vol. 39 (6), pp. 456–459 [in English].
Аfanas’ev, К. V., Prudnikov, А. N., Gorshenin, А. V. (2010) Technology to produce ingots, wrought bars and pistons from hypereutectic high temperature resistant siluminum and their properties. Obrabotka metallov, no. 3, pp. 28–31 [in Russian].
Kobayashi, K., Shingu, P. H. &Ozaki, R. (1975) Crystal growth of the primary silicon in an Al-16 wt % Si alloy. Journal of Materials Science, Vol. 10 (2), pp. 290–299 [in English].
Ullah, M. W. & Carlberg, T. (2011) Silicon Crystal Morphologies during Solidification Refining from Al-Si Melts. Journal of Crystal Growth, Vol. 318 (1), pp. 212–218 [in English].
Gui, M., Jia, J., Song, G. & Li, Q. (1999) Microstructure of Al–Si Alloys Solidified from the different Temperature Melts. Journal of Materials Science & Technology, Vol. 15 (3), pp. 225–228 [in English].
Okayasu, M., Takeuchi, S. & Shiraishi, T. (2013) Crystallisation characteristics of primary silicon particles in cast hypereutectic Al–Si alloy. International Journal of Cast Metals Research, Vol. 26 (2), pp.105–113 [in English].
Korojy, B. (2009) On solidification of hypereutectic Al–Si alloys. Transactions of the Indian Institute of Metals, Vol. 62 (4–5), pp. 361–365 [in English].
Маrukovich, E. I., Stetsenko, V. Yu. (2005) Castings from hypereutectic siluminum manufactured by means of quenching. Lit’yo i metallurgiya, no. 2 (34), pp. 142–144 [in Russian].
Li, P. J., Nikitin, V. I., Kandalove, E. G. & Nikintin, K. V. (2002) Effect of melt overheating, cooling and solidification rates on Al–16wt.%Si alloy structure. Materials Science Engeneering A., Vol. 332, pp. 371–374 [in English].
Chen Zhong-hua, Han Yan-fa, Huang Zhong-yue, &Yang Dong-dong Zu (2011) Correlation between solidified Microstructure and Melt State of Al−18%Si Alloy. Metallic Functional Materials, Issue 3, pp. 28–31 [in English].
Xu, C. L. & Jiang, Q. C. (2006) Morphologies of primary silicon in hypereutectic Al-Si alloys with melt overheating temperature and cooling rate. Materials Science Engeneering A., Vol. 437, pp. 451–455 [in English].
Platkowski, J., Gajdzik, B. & Matula, T. (2012) Crystallization and structure of cast A390.0 alloy with melt overheating temperature. Metallurgija, Vol. 51 (3), pp. 321–324 [in English].
Napalkov, V. I., Cherepok, G. V., Маhov, S. V., Chernovol, Yu. М. (2005) Neprerivnoye lit’yo aluminievih splavov. Spravochnik. Мoscow: Intermet Inginiring, 512 p. [in Russian].
Kesheng Zuo, Haitao Zhang, Ke Qin, Xing Han, Bo Shaoand, & Jianzhong Cui (2015) Effects of Heat Treatment and Extrusion on Microstructure and Properties of A390 Alloy Hollow Billet Fabricated via DC Casting. Materials Transactions, Vol. 56 (9), pp. 1591–1598 [in English].
Eskin, D. (2008) Physical Metallurgy of Direct Chill Casting of Aluminum Alloys (Advances in Metallic Alloys). CRC Press, 328 p.[in English].
Grandfield, J., Eskin, D. & Bainbridge, I. (2013) Direct-Chill Casting of Light Alloys: Science and Technology. Wiley-TMS, 424 p. [in English].
Blais, S., Loue, W. & Pluchon, C. (1996) Structure control by electromagnetic stirring and reheating at semi-solid state. Proc. 4th International conference on semi-solid processing of alloy and composites (June 1996). Sheffield, pp. 187–192 [in English].
Тararishkin, V. I., Pimenov, Yu. P., Eskin, G. I. (2017) Modifier assortment to refine the structure of hypereutectic siluminum. Tehnologiya legkih splavov, no 3, pp. 28–32 [in Russian].
Gavrilyuk, V. P., Laskovets, V. V. (2005) Control of structure and properties of hypereutectic siluminum by means of microalloying. Protsessy lit’ya, no 2, pp. 55–60 [in Russian].
Кuznetsova, V. Z., Nosko, О. А. (2008) Effect of boron modifying on structure and properties hypereutectic piston alloys. Teoriya i praktika metallurgii, no. 1–2, pp. 113–118 [in Russian].
Kawther, W. A., Al-Helal (2013) New Approaches to Casting Hypereutectic Al-Si Alloys to Achieve Simultaneous Refinement of Primary Silicon and Modification of Eutectic Silicon. A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy. Brunel Centre for Advanced Solidification Technology (BCAST), Brunel University, 174 р. [in English].
Campbell, J. & Tiryakioglu, M. (2010) Review of effect of P and Sr on modification and porosity development in Al–Si alloys. Materials Science and Technology, Vol. 26 (3), pp. 262–268 [in English].
Liang, S.M. & Schmid-Fetzer, R. (2014) Phosphorus in Al–Si cast alloys: Thermodynamic prediction of the AlP and eutectic (Si) solidification sequence validated by microstructure and nucleation undercooling data. Acta Materialia, Vol. 72, pp. 41–56 [in English].
Li, J., Hage, F. S., Liu, X., Ramasse, Q. & Schumacher P. (2016) Revealing heterogeneous nucleation of primary Si and eutectic Si by AlP in hypereutectic Al-Si alloys. Scientific Reports 6, article number: 25244; doi: 10.1038/srep25244 [in English].
Belov, М. V. (2007) Issledovanie protsessa kristallizatsii Al-Si splavov i razrabotka legkoplavkih fosforsodershaschih ligatur s tsel’yu povishenia kachestva litih porshnevih zagotovok. Avtoref. diss…kand. tehn. nauk. Moscow: Gosudarstvenniy Tehnologicheskiy Universitet «Моskovskiy institute stali i splavov», 26 p. [in Russian].
Zhang Ying, Yi Dan-qing, Li Wang-xin, Ren Zhi-sen, Zhao Qun, & Zhang Jun-hong (2007) Transformation of microstructure after modification of A390 alloy. Transaction of Nonferrous Metals Society of China, Vol.17, pp. 413–417 [in English].
Platkowski, J. (2015) AlSi17Cu5Mg alloy as future material for castings of pistons for internal combustion engines. Metalurgija, Vol. 54 (3), pp. 511–514 [in English].
Gao, T., Zhu, X. Z., Qiao, H. & Liu, X. F. (2014) A new Al–Fe–P master alloy designed for application in low pressure casting and its refinement performance on primary Si in A390 alloy at low temperature. Journal of Alloys and Compounds, Vol. 607, pp. 11–15 [in English].
Pozdniakov, A. V., Glavatskikh, M. V., Makhov, S. V. & Napalkov, V. I. (2014) The synthesis of novel powder master alloys for the modification of primary and eutectic silicon crystals. Materials Letters, Vol.128, pp. 325–328 [in English].
Jing Zhang, Hongmei Chen, Hui Yu, & Yunxue Jin (2015) Study on Dual Modification of Al-17%Si Alloys by Structural Heredity. Metals, Vol. 5, pp. 1112–1126 [in English].
Zuo, M., Liua, X. F., Sun, Q. Q. & Jianga, K. (2009) Effect of rapid solidification on the microstructure and refining performance of an Al–Si–P master alloy. Journal of Materials Processing Technology, Vol. 209, pp. 5504–5508 [in English].
Zuo, M., Liu, Х. (2011) Series of Al–P Master Alloy and excellent refining performance on hypereutectic A390 Alloys. Advanced Materials Research, Vols. 306–307, pp. 613–616 [in English].
Nikitin, V. I., Nikitin, К. V. (2005) Scientific principles to create a new class of fine grained modifiers for metallic liquids. Teoriya i praktika tehnologii proizvodstva izdeliy iz kompozitsionnih materialov i novih metallicheskih splavov: Materialy IV Meshdunarodnoy konferentsii. Мoscow: Znanie, pp. 297–307 [in Russian].
Nikitin, V. I. (2008) Theoretical and practical premises for the technology development of nanomodifying the aluminum alloys. Nasledstvennost’ v liteynih protsessah: Trudi VII Meshdunarodnogo nauchno-tehnicheskogo simposiuma. Samara: SamGТU, pp. 286-290 [in Russian].
Nikitin, V. I., Nikitin, К. V. (2014) Development and application of structure heredity in aluminum alloys. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, Vol. 4 (7), pp. 424–429 [in Russian].
Nikitin, К. V. (2007) Development of genetic engineering for design of hypereutectic siluminum with fine grained structure. Trudi VII s’ezda liteyschikov Rosii, Rostov-nа-Donu: RAL, pp. 253–257 [in Russian].
Nikitin, К. V., Timoshkin, I. Yu. (2007) Influence of the charge silicon type on structure and properties of hypereutectic siluminum. Progressivnie liteynie tehnologii: Trudi 4 Meshdunar. Nauch.-prakt. konf. Мoscow: ID Меdpraktika-М, pp. 252–255 [in Russian].
Nikitin, К. V., Timoshkin, I. Yu. (2011) Hereditary effect of pig alloys on the properties of siluminum castings. Liteynoe proizvodstvo, no 7, pp. 19–22 [in Russian].
Afanas’ev, V. K., Popova, М. V., Prudnikov, А. N., Zezikov, М. V. Gorshenin, А. V. (2005) Hydrogen is an alloying element for aluminum alloy. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya, no 6, pp. 36–39 [in Russian].
Afanas’ev, V. К., Gertsen, V. V., Dolgova, S. V., Мusohranov, Yu. М., Popova, М. V. (2015) About influence of water vapor on creating the properties of Al-alloys with high silicon content. Metallurgiya mashinostroeniya, no. 5, pp. 1–17 [in Russian].
Popova, М. V., Prudnikov, А. N., Dolgova, S. V., Маlyuh, М. А. (2017) Perspective aluminum alloys for aircraft and cosmic technology. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo indusrial’nogo universiteta, no. 3 (21), pp. 18–23 [in Russian].
Eskin, G. I., Panov, Е.I. (2002) Influence of cross-screw rolling on structure and properties of hypereutectic siluminum melted from different charge. Tsvetnie metally, no. 9, pp. 85–89 [in Russian].
Panov, Е. I. (2004) Increasing plasticity of heavy wrought siluminum 01390, 01391 by means of cross-screw rolling. Metallurg, no 6, pp. 66–69 [in Russian].
Eskin, G. I., Panov, Е. I., Ber, L. B., Stepanov, B. N., Bochvar, S. G., Yalfimov, V. I. (2008) Effect of foundry technology and deformation on structure and properties of heat-strengthened hypereutectic siluminum. Metallurg, no. 7, pp. 37–42 [in Russian].
Dоbatkin, V. I., Gabidullin, R. М., Кolachev, B. А., Маkarov, G. S. (1976) Gazi i okisli v aluminievih splsavah. Мoscow: Metallurgiya, 263 p. [in Russian].
Аl’tman, М. B. (1965) Nonmetallic inclusions in aluminum alloys, Мoscow: Меtallurgiya, 128 p. [in Russian].
Коtlyarskiy, F. М. (2011) Contents and quality of hard nonmetallic inclusions in aluminum alloys. Protsesy lit’ya, no. 1 (85), pp. 25–35 [in Russian].
Silva, M. P. & Talbot, D. E. J. (1989) Oxidation of Liquid Aluminum-Magnesium Alloys. Light Metals, pp. 1035–1040 [in English].
Маkarov, G. S. (1983) Rafinirovanie aluminievih splavov. Мoscow: Меtallurgiya, 119 p. [in Russian].
Маkarov, G. S. (1998) Interaction behaviour of hard nonmetallic inclusions in aluminum melt with refining gas. Tehnologiya legkih splavov, no 4, pp. 29–33 [in Russian].
Кurdyumov, A. V. (1970) Purification of non-ferrous metals from suspended nonmetallic inclusions and dissolved hydrogen. Liteynoe proizvodstvo, no 5, pp. 4–6 [in Russian].
Gopalan, R. & Prabhu, N. K. (2011) Oxide bifilms in aluminium alloy castings – a review. Materials Science and Technology, Vol. 27 (12), pp. 1757–1769 [in English].
El-Sayed, M. A. (2018) An investigation of the behavior of double oxide film defects in aluminiummagnesium cast alloys. The Journal of the Southen Africa Institute of Mining and Metallurgy, Vol. 118, pp.1225–1231 [in English].
Aryafar, M., Raiszadeh, R. & Shalbafzadeh, A. (2010) Healing of double oxide film defects in A356 aluminium melt. Journal of materials science, Vol. 45 (11), pp. 3041–3051 [in English].
Campbell, J. (2015) Complete Casting Handbook. Metal Casting Processes, Metallurgy, Techniques and Design. Published by Elsevier Ltd.,1054 p. [in English].
Cho, Y. H., Lee, H.-C., Oh, K. H. & Dahle, A. K. (2008) Effect of Strontium and Phosphorus on Eutectic Al-Si Nucleation and Formation of b-Al5FeSi in Hypoeutectic Al–Si Foundry Alloys. Metallurgical and Materials Transactions A., Vol. 39A, pp. 2435–2448 [in English].
Sayt Rosiyskoy assotsiatsii lyvarnikiv [Elektronnyi resurs]. URL: http://www.ruscastings.ru/.
Sayt Kiivskogo zavodu aluminievykh konstruktsiy FORTE Aluminium [Elektronniy resurs]. URL: https://forte.amtt.ua/.
Sayt Kamenskoy aluminievoy kompanii [Elektronniy resurs]. URL: http://www.kamalko.ru/.
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2019 А. В. Сінчук, О. Є. Меркулов*
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
