Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Процесс получения«сплава» в порошковой металлургии заключается в смешиваниисоставляющих «сплав» порошков, в их консолидации способамиспекания, прессования, взрывного компактирования, в непосредственной консолидации при штамповке и экструзии. Последующиестадии могут включать термомеханическую обработку.Преимуществом порошковой металлургии является возможность получения изделий из тех материалов, которые не могут быть8получены по традиционным технологиям: керамических, композиционных.Одним из положительных отличий порошковых сплавов является мелкозернистая однородная структура, обеспечивающая изотропность механических свойств. К недостаткам относится пористость изделий.Для поршневых ДВС изготовляют из порошковых алюминиевых сплавов и коррозионно-стойких сталей шатуны, цилиндры,крышки подшипников.Материалы, альтернативные металлическим сплавам, былисозданы потому, что прогресс в машиностроении и двигателестроении требовал улучшения комплекса эксплуатационных свойств:большей износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости, большей удельной прочности.
Для создания конструкций начали использовать керамики, пластмассы, композиционные материалы, а также сплавы на основе интерметаллических соединений.Композиционные материалы (КМ), или композиты, представляют собой твердое вещество, состоящее из матрицы и различныхнаполнителей, частицы которых, особым образом расположенныевнутри матрицы, армируют ее. Композиты различаются по типуматрицы — металлическая и неметаллическая (полимерная, углеродная, керамическая).Роль матрицы в КМ состоит в придании формы и созданиимонолитного материала.
Объединяя в единое целое армирующийнаполнитель, матрица участвует в обеспечении несущей способности композита. Она передает напряжения на волокна и позволяетвоспринимать различные внешние нагрузки: растяжение, сжатие,изгиб, удар. Матрица предохраняет наполнитель от механическихповреждений и окисления. Выбором матрицы определяется температурная область применения КМ.
Рабочая температура деталейиз КМ повышается при переходе от полимерной матрицы к металлической, а далее — к углеродной и керамической.В соответствии с геометрией армирующих частиц различаютпорошковые КМ (или гранулированные), волокнистые, пластинчатые. Порошковые композиты представляют собой смесь порошков металлов с неметаллическими соединениями. Они отличаются изотропностью свойств. В волокнистых композитах матрицу9упрочняют непрерывно и дискретно расположенные волокна. Волокнистые и пластинчатые композиты, так же как и металлическиесплавы, имеют анизотропию механических свойств.
Основная задача наполнителя — обеспечить прочность и жесткость КМ. Самичастицы наполнителя должны иметь высокую прочность во всемдиапазоне значений температуры, малую плотность, быть нерастворимыми в матрице и нетоксичными. Армирующими веществами в КМ являются оксиды, карбиды (обычно карбид кремния SiC),нитрид кремния Si3 N4 , стеклянные или углеродные нити, волокнабора (бороволокна), стальная или вольфрамовая проволока.Керамика — неорганический материал, получаемый в процессевысокотемпературного обжига минеральных масс: глины, полевого шпата, каолина, оксидов, карбидов, нитридов, боридов (соединения элементов с кислородом, углеродом, азотом, бором соответственно).
Керамику изготовляют с помощью технологическихопераций порошковой металлургии: компактирования, спекания,горячего прессования.Керамические материалы (керамику) в настоящее время можнополучать методом синтеза. К промышленно изготовляемым синтетическим материалам относятся корунд Al2 O3 , кварц SiO2 , другиеоксиды, такие, как TiO2 , ZrO2 , карбиды WC, TiC, SiC, нитрид TiN,борид TiB2 .Химическая природа керамик определяет их особые механические свойства:• высокую жаропрочность (сопротивление нагружению при повышенных температурах); так, детали из нитрида кремния Si 3 N4работают при температуре до 1500 ◦ С, из карбида кремния SiC —до 1800 ◦ С;• высокую жаростойкость (сопротивление окислению при повышенной температуре);• термостабильность (сопротивление резким сменам температуры): детали из керамических материалов не боятся перегрева ине нуждаются в принудительном охлаждении;• высокую износостойкость, которая определяется высокойтвердостью составляющих керамику минералов.Преимуществом керамик является также изотропность свойств.К недостаткам керамик относятся: хрупкость; меньшая, чем уметаллов, теплопроводность; высокая трудоемкость изготовления10деталей вследствие низкой технологичности; сложность получениябеспористых изделий.
Все перечисленные недостатки не позволяют керамикам занять место экономичных материалов, несмотря надешевизну исходных компонентов.В качестве самостоятельных конструкционных материалов вдвигателестроении нашли применение карбид кремния SiC и нитрид кремния Si3 N4 . Керамика используется как основа для КМ, изкоторых для поршневых ДВС изготовляют цилиндры, толкатели,свечи зажигания, впускные и выпускные клапаны (см.
гл. 4).Керамики нашли широкое применение в качестве защитногожаростойкого покрытия в деталях и конструкциях.Потенциальные возможности керамик и КМ на их основе трудно переоценить. Их преимущества по удельной прочности, поверхностной стабильности, распространенности исходных материалов,экономичности позволили бы существенно повысить рабочую температуру устройств и агрегатов. Но интенсивные десятилетние поиски технологических и конструкционных решений для монолитных керамик пока не принесли результатов. В связи с этим возросинтерес к керамическим композитам, особенно к металлокерамике, которая, в конце концов, найдет практическое применение вкачестве материала для несущих конструкций.Металлокерамика.
Этот материал получают по двум технологиям: 1) порошки керамики и металла (сплава) смешивают, компактируют, обрабатывают давлением, экструдируют; 2) пористуюкерамику заливают расплавленным металлом.Металлокерамике присуще основное достоинство порошковыхкерамических материалов — изотропность свойств. Наряду с этимвследствие присутствия металла металлокерамика более технологична — имеет способность к деформационной обработке и резанию. Лучшая технологичность и предопределила широкое применение металлокерамики в двигателестроении, особенно в поршневых ДВС. Металлокерамика отличается от керамики большимипластичностью и ударной вязкостью.
По сравнению с металлическими сплавами металлокерамика обладает большими жаропрочностью, износостойкостью, циклической прочностью наряду с низким тепловым коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) исо стабильностью размеров при тепловых колебаниях. Примене11ние металлокерамики вместо традиционных металлических сплавов позволяет повысить удельную мощность двигателей, увеличить ресурс, повысить рабочую температуру, а следовательно, иКПД, сэкономить топливо, улучшить экологические характеристики двигателя.В ДВС применяют пористую керамику на основе Al2 O3 и SiC,пропитанную алюминием или сплавами алюминия. Из нее изготовляют такие ответственные детали, как газораспределительныеклапаны, поршни, шатуны, головки блока цилиндров, роторы турбокомпрессоров.Согласно прогнозу зарубежных автомобильных фирм, сделанному в 1995 г., высокоэффективный двигатель, в котором будутиспользованы керамические и металлокерамические детали и покрытия, будет создан в ХХI в.
Этот двигатель, почти не требующийтехнического обслуживания и имеющий низкую стоимость, будетиметь улучшенные экономические, энергетические и экологические характеристики.Интерметаллиды и сплавы на их основе. Перспективным направлением получения жаропрочных материалов является использование в качестве основы сплава интерметаллидного соединения,например: Ni3 Al, NiAl, TiAl, Fe2 Mo. В этих соединениях в отличиеот металлов связь между атомами главным образом ковалентная,более жесткая, чем металлическая, поэтому интерметаллиды используют в качестве жаропрочных материалов. Преимуществомих также является высокая удельная прочность, а недостатком, затрудняющим их широкое внедрение, — низкая пластичность приобычной температуре.2.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ2.1. Требования к материалам для поршнейВ конструкции поршня ДВС выделяют следующие основныеэлементы (рис. 2.1): головку 1 и юбку 2. Головка включает днище3, огневой (жаровой) 4 и уплотняющий 5 пояса. Юбка поршнясостоит из бобышек 6 и направляющей части.Поршень ДВС работает в условиях воздействия повышенных напряжения и температуры, а также агрессивнойсреды газов повышенной температуры.Поршень испытывает различные механические нагрузки:• циклические нагрузки (район бобышек), вызывающие усталость в материале поршня;• изнашивающие нагрузки (районкольцевых канавок);Рис. 2.1.КонструкцияпоршняДВС:• инерционные нагрузки, характер1 — головка; 2 — юбка; 3 —которых близок к ударному.днище; 4 — огневой пояс;Знакопеременные тепловые нагруз- 5 — уплотняющий пояс; 6 —ки вызывают развитие термоусталости. бобышкаВ связи с этим к материалам поршней предъявляется ряд требований к физическим, химическим, механическим и технологическим свойствам, а также к экономичности.
Основные требованиязаключаются в следующем.13Требования к физическим свойствам:• низкий ТКЛР — для создания конструкций с малыми зазорамимежду поршнем и стенками цилиндра;• высокая теплопроводность — для быстрого отвода теплоты;• возможно более низкая плотность — для уменьшения массыдвигателя.Требования к механическим свойствам:• прочность при повышенной температуре, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
