3. HISTORIE, KONSTRUKCE A VÝROBA PÍST Ů SPALOVACÍCH MOTORŮ
3.2 Fázové diagramy pístových slitin se systémem prvk ů Al-Si-Cu-Ni-Mg
-45-
Tab. 3.2 Zastoupení jednotlivých prvků v intermetalických sloučeninách slitiny AlSi12CuNiMg [6] systém. Přídavkem železa se počet složek zvýší na šest. Obvykle obsahují několik hlavních komponentů a je známo, že mají velmi složité fázové složení. Různé druhy používaných pístových slitin hliníku, viz výše, obsahují chemické prvky v tomto množství (hmotnostní procenta) 11-23 % Si, 0.5-3 % Ni, 0,5-5.5 % Cu, 0,6 - 1,3 % Mg, do 1,3 % Fe a až 1 % Mn. Koncentrace Mn je však obvykle nízká a může být proto zanedbána. Není však zanedbatelná pokud jde o její účinky na fázové složení a reakce tuhnutí. Analýza šesti složkové soustavy Al-Cu-Fe-Mg-Ni-Si je velmi náročný úkol, protože všechny prvky mohou tvořit různé fáze, což závisí na poměru mezi těmito legujícími prvky. Složení a hustoty fází, které se mohou tvořit v pístových slitinách Al-Si, jsou uvedeny v tabulkách 3.2 a 3.3 spolu s běžně používaným označením. Analýzu také komplikuje skutečnost, že pěti a čtyř komponentní diagramy s Ni dosud nejsou známy. Jelikož složení fází uvedených v tabulkách 3.2 a 3.3 lze považovat za konstantní, polohy bodů v izotermické pěti složkové soustavě mohou být vypočteny pomocí složení těchto fází. Při analýze třísložkových slitinách obsahující méně než 4 % mědi není ternární eutektikum Al + Si + Al2Cu tvořeno
-46-
za rovnovážných podmínek. V praxi, která představuje samozřejmě nerovnovážné podmínky tuhnutí, je toto eutektikum tvořeno dokonce při koncentracích mědi menší než zlomky procent. Čtyř fázové diagramy jsou složitější kvůli výrazně většímu počtu reakcí tuhnutí. Kromě toho výskyt peritektických reakcí, které probíhají pouze částečně při velmi pomalém chlazení, odchyluje fázové složení z rovnováhy.
Tab. 3.3 Intermetalické sloučeniny ve slitině AlSi12CuNiMg [33]
Intermetalická fáze Označení Chemické složení [hm. %] Hustota [g.cm-3]
Při přítomnosti Mn ve slitině je vytvářena fáze Al15(FeMn)3Si2
Systém Cu-Fe-Mg-Ni-Si je tvořen čtyř složkovými systémy: Cu-Fe-Si, Al-Cu-Mg-Si, Al-Cu-Ni-Si, Al-Fe-Mg-Si, Al-Fe-Ni-Si, a Al-Mg-Ni-Si a všechny fáze uvedené v tabulkách 3.2 a 3.3 jsou v těchto systémech přítomny a pístové slitiny obsahující relativně malé množství železa mohou být analyzovány pomocí fázového diagramu Al-Cu-Mg-Ni-Si, v němž mohou být v rovnováze s Al a Si tyto fáze - ε, δ, γ, θ, M a Q. Obrázek 3-4 ukazuje nejpravděpodobnější distribuce fází v tuhém stavu ve čtyř a pěti fázovém poli, tj.
Al + Si + Q + θ+ γ, Al + Si + Q + γ + M, Al + Si + γ + δ + M a Al + Si + δ + ε + M.
Obrázek 3-5 ukazuje blokový diagram tuhnutí pístové slitiny. (Si) fáze je vylučována z taveniny jako první a je následována eutektikem Al + Si. Další reakce tuhnutí následují, přičemž čím vyšší je poměr Cu:Ni, tím nižší je možnost vytvoření ε. Takovéto diagramy jsou široce používány pro lepší znázornění sekvencí tuhnutí v multikomponentních slitinách.
-47-
Obr. 3-4 Fázový diagram Al-Cu-Mg-Ni-Si, rozdělení fází v tuhém stavu [33]
Obr. 3-5 Blokové schéma tuhnutí slitiny AlSi12CuNiMg [33]
Al-Fe-Mg-Ni-Si stejně jako Al-Cu-Fe-Ni-Si zahrnuje přítomnost železa ve slitinách hliníku, které je v mnoha pístových slitinách příčinou tvorby železo obsahujících fází.
V systému Al-Cu-Fe-Mg-Si se železo podílí na tvorbě dvou fází β a π, přičemž fáze π je zapojena v eutektické reakci pouze za nejnižších teplot. Distribuce fází v pevném stavu a polythermální projekce tuhnutí jsou uvedeny na obrázku 3-6.
-48-
Obr. 3-6 Fázový diagram Al-Fe-Mg-Ni-Si, rozdělení fází v tuhém stavu[33]
Rovnováha mezi T a θ fází je nejpravděpodobnější v systému Al-Cu-Fe-Ni-Si, který má čtyři pěti-fázová pole, jak je znázorněno na obrázku 3-7. Přítomnost železa zde může vést k vytvoření jedné z následujících fází: π, T, a β. První fáze se tvoří převážně při nízkých koncentracích železa. Pístové slitiny jsou obvykle používány v ustáleném stavu, tj.
žíhané při 200 až 250 °C. Když se vezme v úvahu, že horní hranice provozních teplot je maximálně 300 °C, pak jsou izotermické úseky při této teplotě a obsah Si kolem 13 % nejvíce charakteristické. Je dobré však zmínit, že skutečné fázové složení při těchto teplotách může ještě být odlišné od rovnováhy, protože odchylku od rovnováhy při tuhnutí nelze odstranit žíháním při takto relativně nízké teplotě.
Obr. 3-7 Fázový diagram Al-Cu-Fe-Ni-Si, rozdělení fází v tuhém stavu [33]
-49-
Pokud by kompozice pístových slitin Al-Cu-Mg-Ni-Si neobsahovala železo, vypadal by vertikální řez v závislosti na obsahu mědi tak, jak je uvedeno na obrázku 3-8.
Za nerovnovážných podmínek tuhnutí téměř všechny pístové slitiny patřící k systému Al-Cu-Ni-Mg-Si a obsahující více než 1-1,5 % Cu, skončí tuhnutí podle eutektické reakce, viz bod E, obrázek 3-4. Železo je však jako doprovodný prvek důležitým faktorem ovlivňujícím fázové složení mnoha slévárenských slitin, včetně slitin pístových.
Izotermický řez při 300 °C, 13 % Si a 1 % Ni ukazuje obrázek 3-9. Za rovnovážných podmínek je zřejmé, že železo může být vázáno pouze na kvartérní π fáze. Na druhou stranu se na vertikálním řezu diagramu při 13 % Si, 1 % Ni a 1 % Mg na tomtéž obrázku ukazuje, že ternární T fáze by se měla tvořit během tuhnutí u slitin obsahující více než 0,2 % Fe, což je způsobeno neúplností peritektické reakce a značně vysokou koncentrací železa, 0,5-0,6 %. Následkem toho bude výskyt z nerovnovážné β fáze ve struktuře po odlití.
Obr. 3-8 Řez fázovým diagramem Al-Cu-Mg-Ni-Si na 13 % Si, 1 % Ni a 1 % Mg, uvedená procenta jsou hm. % [34]
-50-
Obr. 3-9 Izotermický řez fázovým diagramem Al-Fe-Mg-Ni-Si při 300 °C, 13 % Si a 1 % Ni (hm %) [33]
Dále se ukazuje, že železo jako nečistota může tvořit kvartérní fázi Al8FeMg3Si6 ve slitinách s nižším obsahem železa a dále ternární fáze Al9FeNi a Al5FeSi ve slitinách s vyšším obsahem železa. Tabulka 3.4 ukazuje přehled reakcí v uvedených pěti složkových systémech. [33, 34]
Tab. 3.4 Přehled reakcí ve výše uvedených pěti složkových systémech [34]
-51-