Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 3
Текст из файла (страница 3)
жаропрочность(до 200. . .220 ◦ С — для основной конструкции и до 350 ◦ С — дляднища поршня);• циклическая прочность (выносливость);• износостойкость;• термостойкость — сопротивление термоусталости (циклическим температурным нагрузкам).Требования к химическим свойствам:• стойкость в воздушной среде и в среде нагретых газов.Выбранный материал должен иметь также высокие технологические свойства, чтобы обеспечить изготовление такой сложнойдетали, как поршень.Материалами для поршней служат алюминиевые сплавы (литейные и деформируемые) и чугуны.
Иногда используют стальноелитье. Сложный комплекс требуемых свойств предопределяет то,что сплавы, применяемые для изготовления поршней, сложны похимическому составу и структуре; как правило, они являются многокомпонентными и многофазными.Перспективными современными материалами для поршнейДВС являются КМ и керамика.2.2. Материалы на основе алюминияМеталл основы, алюминий, определяет физические и технологические свойства сплавов. Алюминий имеет следующие физические свойства, которые с небольшими изменениями наследуютсясплавами:• пониженную плотность (2,7 т/м3 );• высокую теплопроводность (146 Вт/(м · ◦ С) при температуре 20.
. .100 ◦ С;• модуль упругости 71 ГПа.14Снижение собственной массы автомобиля вследствие пониженной плотности приводит к увеличению грузоподъемности,уменьшению расхода горючего и износа шин и тем самым кувеличению производительности машины и снижению эксплуатационных расходов.Важным свойством алюминиевых сплавов является их высокая теплопроводность (в 3—4 раза выше теплопроводности стали),что очень ценно для таких деталей, как поршни, головки и блокицилиндров.Гранецентрированная кристаллическая решетка алюминияобладает повышенной пластичностью, что предопределяет технологичность сплавов при деформировании: они могут подвергаться прокатке, штамповке, прессованию, волочению и другимоперациям.Необходимый уровень прочности алюминиевых сплавов достигается легированием, а также формируется на различных этапахпроизводства заготовок и деталей:• при кристаллизации в результате модифицирования и применения специальных способов литья;• при деформации в результате термомеханической обработки;• при упрочняющей термической обработке (закалка и старение).К положительным свойствам алюминиевых сплавов следуетотнести малые значения коэффициента трения в паре с чугуномили сталью.Однако по сравнению с чугунами и сталями алюминиевымсплавам присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являются:• невысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры;• высокий ТКЛР;• меньшая, чем у чугунных поршней, износостойкость;• сравнительно большая стоимость.В зависимости от конструкции поршня для его изготовленияиспользуют либо деформируемые (кованые), либо литые сплавы.Поршни из кованых сплавов пока применяются реже, чем поршнииз литых сплавов.152.2.1.
Литейные алюминиевые сплавы (силумины)Силумины — это двойные сплавы, относящиеся к системе Al —Si, и специальные сплавы, относящиеся к системам Al — Si — Me i(в которых помимо кремния содержатся элементы Mg, Cu, Mn, Ni).При содержании 5. . .21 % кремния силумины кристаллизуются собразованием эвтектики и относятся к эвтектическим или доэвтектическим сплавам (рис.
2.2). Кристаллизация с образованиемэвтектики протекает при постоянной температуре, что сообщаетсилуминам хорошие литейные свойства:• сравнительно небольшую усадку;• высокую жидкотекучесть;• хорошую герметичность;• небольшую склонность к образованию горячих трещин и пористости.Маркировка силуминов — буквенно-цифровая: буквы АК (алюминий, кремний) и цифры, которые обозначают среднее содержание кремния. Другие буквы показывают наличие легирующих элементов: М — медь, Мг — магний и т. д.
Многие литейные сплавысодержат четыре-пять легирующих элементов. Но в марке обычно указывают не более двух основных элементов. Буквы ч, пч, очуказывают чистоту сплавов по примесям. Примеры маркировкисилуминов: АК12, АК7ч, АК5М, АК9ч и др. Часто в литерату-Рис. 2.2. Диаграмма состояния «алюминий — кремний»16ре рядом с новыми марками силуминов указывают старые марки,которые включают букву Л (литой).Двойные силумины. Кремний имеет переменную растворимостьв алюминии, но эффект упрочнения после закалки и старения незначителен.
В связи с этим к двойным силуминам не применяют упрочняющую термическую обработку. После литья возможнопроведение отжига для снятия напряжений.Силумины, отлитые в песчаные формы, имеют невысокуюпрочность. Для повышения прочности силуминов применяют дваспособа:• модифицирование расплава: перед разливкой вводят небольшие количество натрия (в виде солей).
Это приводит к измельчению дендритной структуры (рис. 2.3) и, как следствие, к улучшению механических свойств: например, у сплава АК12 в результатемодифицирования временное сопротивление силуминов повышается на 25. . .30 %, а относительное удлинение — почти в два раза;Рис. 2.3. Микроструктура силумина АК12 после литья:а — без модифицирования; б — после модифицирования• изменение способа литья: вместо литья в песчаные формывыполняют литье в металлическую форму (кокиль).
Происходящеепри этом увеличение скорости кристаллизации также обеспечиваетизмельчение дендритной литой структуры и повышение прочности(рис. 2.4).Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а. Двойные силумины характеризуются высокой коррозионной стойкостью. Добавки магния имарганца дополнительно повышают ее. Присутствие меди резкоснижает коррозионную стойкость.К специальным силуминам, из которых изготовляют поршни,относятся сплавы АК9ч, АК5М, АК8Л, АК12М2МгН и др.17Рис. 2.4. Механические свойства сплава АК12 после литья в землю (1) ипосле литья в кокиль (2)Механические свойства силуминовТаблица 2.1Легирующие Механические свойстваэлементы,σв ,σ0,2 ,δ, %кроме кремния МПаМПаТип силуминаМаркаДвойнойсилуминАК12∗–180807АК5М∗∗АК9чСпециальныесилуминыCu2201801∗∗∗Mg, Mn2602004∗∗∗Ti, Be3302803АК8ЛАК12М2МгН(АЛ25) литье Mg, Cu, Mn,200——в кокиль +Ni+ старение* Литье в песчаные формы и модифицирование.** Литье в песчаные формы и термообработка (закалка и искусственное старение).*** Литье в песчаные формы, модифицирование, термообработка.В л и я н и е л е г и р у ю щ и х э л е м е н т о в.
Так каксплавы содержат элементы, имеющие переменную растворимостьв алюминии, — магний (АК7ч) и медь (АК5М), к ним применяютупрочняющую термообработку — закалку и искусственное старение. Кроме того, сплавы содержат переходные металлы (Mn, Ti),которые при кристаллизации оказывают модифицирующее воздействие — измельчают структурные составляющие. В связи с этимспециальные силумины являются более прочными, чем двойные18(табл. 2.1). Сплав АК12М2МгН (АЛ25) имеет невысокую прочность при комнатной температуре; однако вследствие повышенного содержания магния (больше эффект дисперсионного упрочнения при старении) и присутствия никеля он имеет высокую жаропрочность по сравнению с другими силуминами.М е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а. Временное сопротивление разрыву после закалки и старения сплава АК5М (1,25 % Cu)повышено по сравнению с сопротивлением двойного силумина на40 МПа, а в сплаве АК9ч, который содержит и магний (0,25 %),и марганец (0,35 %), значение σв увеличивается еще на 40 МПа.Повышение прочности, как видно из табл.
2.1, сопровождается значительным снижением пластичности.Т е х н о л о г и ч е с к и е с в о й с т в а. Отливки из сплавовАК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9) сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов выполняют с помощьюгазовой и аргонодуговой сварки.
Хорошие литейные свойства силуминов определяют их хорошую свариваемость плавлением. Этисплавы также отличаются большой плотностью, поэтому рекомендуются для изготовления герметичных деталей.П р и м е н е н и е. Как специальные, так и двойные силумины можно применять при температуре до 170 ◦ С. Это обусловленосвойствами основной фазы сплавов — кремния, входящего в составэвтектики.
Эта фаза не является термостабильной, поэтому частицы кремния при более высоких значениях температуры укрупняются, что снижает эффект упрочнения. Силумины применяют дляизготовления поршней только малофорсированных двигателей.Сплав АК9ч является основным при изготовлении поршней автомобильных и тракторных двигателей. Его применяют также дляизготовления крупногабаритных деталей, таких, как картеры ДВС.Высоколегированный сплав АК12М2МгН (АЛ25) принадлежит кгруппе поршневых сплавов ДВС, которые предназначены для работы при повышенной температуре (250. . . 270 ◦ С).2.2.2. Литейные алюминиевые сплавыповышенной жаропрочностиДля поршней с более высокой рабочей температурой (до300 ◦ С) разработаны литейные сплавы другой системы легиро19вания: Аl — Сu — Ni — Мg (или Mg + Mn) — Ti (или Се).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
