BEZNIKLOWE SILUMINY TŁOKOWE O PODWYŻSZONEJ STABILNOŚCI WYMIAROWEJ

Niniejsze studium analityczno-eksperymentalne opracowane zostało na podstawie dostępnych krajowych i zagranicznych materiałów źródłowych, jak też wyników badań własnych dotyczących problematyki analizy i syntezy oszczędnościowych – głównie bezniklowych – siluminów tłokowych, z uwzględnieniem istotnych dla tego typu tworzyw parametrów stabilności wymiarowej.

W części wprowadzającej (rozdział 1) skoncentrowano się na przyczynach podjęcia danego tematu; następnie scharakteryzowano ekonomiczne aspekty zastosowań niklu w stopach metali; z kolei w podrozdziale 1.3 określono: cel, tezę oraz zakres opracowania.

W rozdziale 2 dokonano zestawienia i analizy składu chemicznego istniejących w przeszłości oraz obecnie stosowanych na świecie bezniklowych oraz z ograniczoną zawartością niklu stopów aluminium typu tłokowego.

W kolejnych fragmentach opracowania (rozdział 3) rozpatrzono – na podstawie danych pochodzących ze specjalistycznej literatury o charakterze metaloznawczym – zagadnienia dotyczące oceny wpływu niklu na strukturę, fizykochemiczne oraz technologiczne właściwości aluminium, a także stopów układu Al-Si. Przegląd dostępnych materiałów źródłowych pokazał, że wśród specjalistów brak jest jednolitego poglądu na temat roli Ni w siluminach tłokowych. W konsekwencji tego postanowiono przeprowadzić analizę potrójnych i bardziej złożonych układów równowagowych typu Al-Si-X-Y… (gdzie: X, Y,… – pierwiastki układu okresowego, jako potencjalne dodatki stopowe) w celu poszukiwania innych umacniających faz międzymetalicznych, zastępujących fazy z niklem. Zamienników drogiego i deficytowego niklu poszukiwano również poprzez zastosowanie współczesnej metodologii syntezy stopów (podrozdział 3.2). Końcowym efektem przeprowadzenia fizykochemicznej i ekonomicznej analizy była konstatacja, iż potencjalnym zamiennikiem niklu w siluminach stopowych może być mangan.
W ostatnim fragmencie rozdziału 3 (podrozdział 3.3) podjęto próbę teoretycznego uzasadnienia możliwości dokonania takiej zamiany.

Wytwarzane z odpadów własnych i/lub surowców wtórnych siluminy tłokowe (szczególnie ich bezniklowe warianty), oprócz podwyższonych zawartości żelaza, zawierają nierzadko zwiększone ilości cynku. Dlatego też w rozdziale 4 przeanalizowano wpływ tego pierwiastka (Zn) na fizykochemiczne właściwości aluminium oraz stopów układu aluminium-krzem; podano również przykłady stosowania za granicą siluminów tłokowych z cynkiem – o zawartości dochodzącej do 3%.

Teoretyczne rozważania zagadnień stabilności wymiarowej stopów rozpoczęto z ogólnych – termodynamicznych – pozycji (podrozdział 5.1). Poza różnymi fizycznymi – w tym mechanicznymi – parametrami tworzywa tłokowego, w zakresie jego roboczej temperatury, za istotne uznano również te związane z szeroko rozumianą stabilnością wymiarową. W podrozdziale 5.2 zwrócono uwagę na fizyczny i techniczny współczynnik rozszerzalności cieplnej – jako parametry odwracalnych zmian wymiarowych; natomiast w podrozdziale 5.3 rozważano możliwe mechanizmy nieodwracalnych (trwałych) odkształceń w stopach na osnowie aluminium (w tym szczególnie w siluminach), w warunkach quasi-statycznych i kinetycznych obciążeń cieplnych.

Opis warunków pracy tłoków silników spalinowych, z punktu widzenia ich cieplno-mechanicznych obciążeń w czasie eksploatacji, zaprezentowano w pierwszej części rozdziału 6. W następnym fragmencie opracowania (podrozdział 6.2) dokonano specyfikacji najważniejszych wymagań wysuwanych względem tworzyw tłokowych.

Program eksperymentalnych badań oraz sposób jego realizacji zostały omówione w rozdziale 7. Opracowany plan – to rezultat wcześniejszych analiz składu chemicznego bezniklowych siluminów tłokowych, wyników fizykochemicznej i ekonomicznej selekcji dodatków stopowych, a także wyszczególnienia stawianych względem tego typu tworzyw wymagań.

Charakterystykę najważniejszych metod badawczych oraz wykorzystywanych w eksperymentach urządzeń i aparatury przedstawiono w rozdziale 8. Szczegółowo przy tym opisano sposoby wyznaczania przyspieszonych ocen takich parametrów eksploatacyjnych, jak: żarowytrzymałość, trwałe zmiany wymiarowe oraz zmęczenie cieplne. Niektóre aspekty natury metodologicznej – dotyczące m.in. matematyczno-statystycznego modelowania i numerycznej optymalizacji, wykorzystania sztucznych sieci neuronowych, a także przeprowadzenia próby silnikowej – zarysowane zostały w tematycznie związanych z nimi fragmentach opracowania.

Siluminy tłokowe, w tym również bezniklowe, to złożone wieloskładnikowe układy, wobec których wysuwanych jest szereg wymagań. Sytuacja ta zmusza badaczy, zajętych projektowaniem (ang. design) nowych czy ulepszaniem (ang. improvement) istniejących stopów, do rozwiązywania zadań wieloparametrycznej optymalizacji w przestrzeni wielowymiarowej. W podrozdziałach 9.1÷9.4 zaprezentowany został sposób rozwiązywania tego typu zagadnień, z krótką charakterystyką algorytmu i programu komputerowego. W wyniku realizacji planu badań eksperymentalnych, statystycznej obróbki danych pomiarowych oraz przeprowadzenia procedur numerycznej optymalizacji zsyntezowano cztery nowe bezniklowe siluminy tłokowe układu Al-Si-Cu-Mg-Mn-(Fe) o pod- i okołoeutektycznej zawartości krzemu, tak na osnowie czystych materiałów wsadowych (dla Fe £ 0,3%), jak też ze zwiększoną zawartością żelaza (średnio 0,7%) – z możliwością ich wytwarzania z surowców wtórnych. Przeprowadzone w podrozdziale 9.5 rozważania pokazują, że wyniki klasycznych metod optymalizacji dobrze korespondują z rezultatami uzyskanymi przy zastosowaniu sztucznych sieci neuronowych. W ostatnim fragmencie rozdziału 9 podjęto próbę wyjaśnienia mniejszych trwałych zmian wymiarowych (w warunkach obciążeń cieplnych) bezniklowych siluminów, w odniesieniu do zmian obserwowanych w przypadku siluminów z niklem.

Rozdział 10 zawiera ocenę wpływu cynku na kontrolowane właściwości oraz mikrostrukturę bezniklowego siluminu AlSi12,5Cu2,5Mg1,0Mn0,6Fe0,7. Pokazano, że dopuszczalna granica zawartości cynku w bezniklowym siluminie, produkowanym z surowców wtórnych, nie powinna przekraczać 1,00÷1,25%, ażeby jego właściwości nie odbiegały znacznie od właściwości charakterystycznych dla znormalizowanego siluminu z niklem (typu EN AC-48000).

Zsyntetyzowane stopy poddane zostały procedurze sprawdzającej (rozdział 11). Weryfikacja otrzymanych nowych rozwiązań materiałowych przeprowadzona była tak w warunkach laboratoryjnych (na próbkach doświadczalnych, względem podstawowych właściwości mechanicznych), jak i na tłokach w eksploatacyjnej próbie silnikowej. Wykonano również mikroskopowe oraz rentgenograficzne badania mikrostruktury nowo opracowanych stopów, a identyfikację faz międzymetalicznych dodatkowo wspomagano badaniami różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC).

Wynikiem pracy, co odnotowano w podsumowaniu i wnioskach końcowych (rozdział 12), są nie tylko nowe bezniklowe siluminy typu tłokowego, ale także ważne poznawcze i eksperymentalne wyniki dotyczące stabilności wymiarowej. Jak pokazała analiza materiałów źródłowych oraz przeprowadzone eksperymenty, mangan – podobnie jak to ma miejsce w stopach żelaza (stalach) czy miedzi (brązach) – również w tworzywach na osnowie aluminium stanowi ważną alternatywę dla deficytowego i drogiego niklu.