29 июня 2017г.
Для изготовления поршней двигателей, особенно работающих с большим числом оборотов, наиболее широко применяют алюминиевые сплавы, а наиболее перспективными из них являются сплавы системы Al - Si, силумины [12]. Существенным недостатком алюминиевых сплавов является относительно высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) (в 1,5 - 2,5 раза выше, чем у чугуна), поэтому поршни из алюминиевых сплавов надо устанавливать в цилиндре с большим зазором. Устройство поршня и выбираемый зазор должны обеспечивать свободное перемещение его в цилиндре и достаточную герметичность как для предотвращения прорыва газов из рабочей полости цилиндра в картер, так и попадания масла со стороны картера в рабочую полость цилиндра. Большая величина зазора затрудняет пуск двигателя и вызывает стуки при работе непрогретого двигателя, износ деталей, наличие перекосов и заеданий поршня, понижение мощности и, следовательно, повышение расхода топлива и масла. Величина зазора, устанавливаемая между гильзой цилиндра и поршнем, в первую очередь, определяется величиной ТКЛР материалов, из которых они изготовлены [1,8]. Для снижения ТКЛР материалов используют различные способы обработки как в жидком состоянии (обработка расплава различными реагентами), так и в твердом (шихта, деформация, термическая обработка). Так, известны работы, посвященные воздействию подготовки шихтовых материалов [2,6], рафинированию и модифицированию расплава на линейное расширение силуминов [3,4,5]. Значительное внимание уделяется деформационным и термическим воздействиям для определения возможности регулирования ТКЛР сплавов [1,7,9,11]. Поэтому определение рациональных режимов термической обработки с позиций снижения ТКЛР и улучшения механических свойств является актуальной задачей материаловедения в области поршневых сплавов, в частности, силуминов.
Для усиления воздействия термической обработки на процессы, протекающие при нагревах и охлаждениях, могут быть использованы среды с повышенным содержанием таких элементов как азот, водород, кислород [7]. Поэтому с целью снижения коэффициента термического расширения в рабочем диапазоне температур поршня был предложен способ термической обработки силуминов в среде паров водного раствора карбамида (мочевины) – CO(NH2)2, который хорошо растворяется в воде и выше температуры плавления (132°С) – разлагается. В качестве объекта исследования был выбран литейный сплав АК12, эвтектический силумин, являющийся основой для ряда широко применяемых поршневых сплавов (АК12М2, АК12ММгН и др.). Сплав готовили в лабораторных условиях в электропечи сопротивления. Химический состав силумина, определенный на оптическом эмиссионном спектрометре ARL-3460, включал, в % (вес.): Si – 11,0 и примеси Fe – 0,55; Cu – 0,05; Mg – 0,034; Mn – 0,03; Al – остальное. Дилатометрические исследования проводили с помощью дифференциального оптического дилатометра Шевенара, точность определения коэффициента составляла 0,1×10-6 град-1. Для поршневых силуминов типа АК12ММгН, АК21М2,5Н2,5 по ГОСТ 1583–93 и зарубежных аналогов KS1275, Mahle 122 используется два вида термической обработки: упрочняющая по режиму Т6, закалка с последующим старением, и стабилизирующая – старение по режиму Т1 (при 200 – 300°С).
Образцы из сплава АК12 подвергали старению при температуре 300°С в течение 1 ч в среде паров водного раствора карбамида и для сравнения в течение 2-х часов по режиму старения, рекомендованному ГОСТ, в воздушной атмосфере при той же температуре. Результаты определения ТКЛР после указанных видов старения приведены на рисунке 1.
Из анализа кривых на рисунке 1 видно, что стабилизирующее старение в парообразной среде водного раствора карбамида снижает значение ТКЛР сплава АК12 в диапазоне 200 – 300°С на 4 – 10 % даже при меньшем времени старения, чем для обычной среды – воздушной. Причем, в этом случае и при более высоких температурах испытания (до 450°С) способность к расширению сплава остается меньшей.
На рисунке 2 приведена диаграмма относительного уменьшения среднего ТКЛР по температурным интервалам (D) в области рабочих температур поршней ДВС, состаренных в парах водного раствора карбамида по сравнению с воздушной средой. Относительное уменьшение рассчитывали по формуле:
Диаграмма показывает наибольшую целесообразность использования опытного режима старения в среде карбамида для обработки поршней тяжелонагруженных форсированных двигателей, которые работают при более высоких температурах.
Рисунок 2 – Диаграмма относительного уменьшения среднего ТКЛР по температурным интервалам (D) сплава АК12, состаренного в парах водного раствора карбамида по сравнению с воздушной средой.
Таким образом, использование предложенного режима старения (300 ºС, 1 ч) в среде паров водного раствора карбамида позволяет уменьшить линейное расширение промышленных силуминов, в том числе сплава АК12 в интервале эксплуатационных температур поршней тяжелонагруженных двигателей (200-300 ºС), а также уменьшить время старения обработки сплава по сравнению с регламентированным ГОСТом.
Список литературы
1. Prudnikov A.N. Deformable heatproof tanseutectic sillumin for pistons // A.N. Prudnikov // Steel in Translation. – 2009. – T. 39. – № 6. – С.456-459.
2. Афанасьев В.К. Влияние обработки шихтового кремния на структуру и линейное расширение силуминов // В.К. Афанасьев, А.Н. Прудников // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. – 2000. – № 10. – С. 26.
3. Прудников А.Н. Изучение линейного расширения, модифицированного заэвтектического силумина / А.Н. Прудников, С.В. Класс и [др.] // Физическая мезомеханика материалов: сб. тезисов докладов II Всероссийской конф. молодых ученых. – Томск: ТГУ, 1999.– С. 122 – 123.
4. Прудников А.Н. Линейное расширение легированных и наводороженных силуминов, закристаллизованных под давлением / А.Н.
Прудников // Литейное производство. – 2009. – № 2 – С. 2-5.
5.
Прудников А.Н. Линейное расширение модифицированного высококремнистого силумина / А.Н. Прудников, Ю.В. Бочкарева // В сб. Физика твердого тела. – Томск, ТГУ, 1998. – С. 12.
6.
Прудников А.Н. Обработка шихтовых материалов для снижения ТКЛР алюминиево- кремниевых сплавов / В сборнике: Металлургия на пороге ХХI века: достижения и проблемы. Материалы Всерос.науч.-практ.конф. – Новокузнецк: СибГИУ, 1999. – С. 172-173.
7.
Прудников А.Н. Совершенствование термической обработки поршневых деформируемых силуминов с добавками фосфора и водорода // А.Н. Прудников // Обработка металлов. – 2009.– № 1.– .С. 8-11.
8. Прудников А.Н. Структурно-технологические основы разработки прецизионных силуминов с регламентированным содержанием водорода / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.16.09 / НГТУ, Новосибирск, 2013.
– 40 с.
9.
Прудников А.Н. Термическая обработка поршневых силуминов для снижения их линейного расширения и улучшения эксплутационных параметров двигателя // А.Н. Прудников // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. – 2004. – № 4. – С. 40-42.
10.
Прудников А.Н. Технология приготовления и обработки алюминиевого сплава для стеклометаллических соединений // А.Н. Прудников // Обработка металлов. – 2009. – № 2.– .С. 14- 18.
11.
Прудников А.Н. Усовершенствование способов термической обработки поршневых алюминиевых сплавов / В сб.: Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество. – Новокузнецк, изд-во СибГИУ, 2003. – С.108-111.
12. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. – М.: Металлургия, 1977. – 271 с.
