Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Этосплавы АК5 (АЛ19) и ВАЛ1 (АЛ33), ВАЛ18.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. В этих сплавах основным легирующим элементом является медь (4,5. . .6,2 %).Существование переменной растворимости меди и магния в алюминии позволяет применять к этим сплавам упрочняющую термическую обработку — закалку и старение.
Повышение прочности ижаропрочности по сравнению с аналогичными характеристикамисилуминов происходит в результате действия нескольких механизмов упрочнения:• присутствие меди и магния обеспечивает протекание процесса старения с образованием высокодисперсных частиц интерметаллических фаз — стабильной θ — Аl2 Сu и метастабильной θ ,что создает дисперсионное упрочнение;• никель, титан, цирконий при нагреве под закалку образуют салюминием дисперсные интерметаллиды, такие, как Al3 Ti, Al3 Zr,Al12 Mn2 Cu;• никель и церий образуют при кристаллизации интерметаллиды Al2 Се, Al6 Cu3 Ni. Их частицы, располагаясь по границам дендритных ячеек, обеспечивают упрочнение при повышенной температуре с помощью зернограничного механизма.
Для этих фазхарактерна высокая термостабильность, т. е. их частицы не укрупняются при температуре до 250. . .275 ◦ С.Термическая обработка сплавов состоит в закалке при температуре от 545 ◦ С и старении при температуре 175 o С (6 ч).М е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а. Рассматриваемые сплавыприменяются главным образом для изготовления поршней, работающих в форсированных двигателях при повышенной температуре(до 250. . .350 ◦ С).
Так, 100-часовая длительная прочность сплаваАЛ33 составляет 90 МПа, в то время как у двойного силуминаАК12 она составляет только 25 МПа, а у специального силуминаАК5М — 35 МПа (табл. 2.2).Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а. Сплавы имеют пониженнуюкоррозионную стойкость вследствие присутствия меди. Отливкинуждаются в тщательной защите от коррозии.Т е х н о л о г и ч е с к и е с в о й с т в а. Сплавы повышеннойжаропрочности имеют значительные технологические недостатки.20Они содержат медь в количестве, меньшем, чем необходимо дляпротекания эвтектической реакции (по диаграмме состояния этаконцентрация составляет 5,7 %).Таблица 2.2Механические свойства литейных сплавов повышеннойжаропрочности (литье в кокиль, закалка и искусственное старение)МаркаЛегирующиеэлементы,кроме кремнияАМ5 (АЛ19)АЛ33ВАЛ18Mn, TiMn, Zr, Ni, СеMn, Ti, Zr, NiМеханические свойстваσ100 , МПаσв , МПаδ, %при 300 ◦ С3502803006226590–Вследствие отсутствия эвтектической реакции, а также широкого температурного диапазона кристаллизации сплавы имеют худшие литейные свойства по сравнению с силуминами — меньшуюжидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин призатвердевании, высокую линейную усадку.
Поэтому применениеспециальных технологических приемов для получения качественных отливок существенно повышает стоимость сплавов даннойсистемы.П р и м е н е н и е. Легирование сплавов и реализация различных механизмов упрочнения обеспечивают им наиболее высокую жаропрочность (cм. табл. 2.2), что позволяет применять ихдля изготовления поршней форсированных двигателей с рабочейтемпературой до 350 ◦ С.Применение литейных алюминиевых сплавов в конструкцияхавтомобилей основано на преимуществах этих сплавов перед сталью и чугуном. Отливки из алюминиевых сплавов, получаемыелитьем под давлением и литьем в кокиль, могут иметь сложнуюформу и меньшие припуски на обработку, чем чугунные отливки,а сам процесс литья отличается высокой производительностью.2.2.3.
Деформируемые алюминиевые сплавыДеформируемые жаропрочные алюминиевые сплавы такжепринадлежат к сложной системе легирования: Аl — Сu — Мg —21Fе — Ni — (Si). Сплав этой системы по ГОСТ 4784–74 имеет дваобозначения: буквенное — АК4, оно сложилось исторически; цифровое — 1140, оно отражает систему легирования.
Сплав имеетследующий химический состав: 1,9. . .2,5 % Cu, 1,4. . .1,8 % Mg,0,8. . .1,3 % Fe, 0,5. . .1,2 % Mn, 0,5. . .1,2 % Si и добавки титана иникеля.Сплав АК4 и его аналог сплав АК4-1 (с пониженным содержанием кремния) отличаются высокой пластичностью при горячейдеформации, вследствие чего они называются ковочными. СплавАК4 не имеет аналогов за рубежом; у сплава АК4-1 имеются аналоги в США (АА2618) и в Японии (2618).Заготовки, полученные горячей штамповкой деформируемыхсплавов, отличаются высоким качеством, но деформируемые материалы имеют на 15.
. .20 % больший ТКЛР, а коэффициент использования металла еще меньше, чем при литье в кокиль.При температуре 20. . .200 ◦ С сплав АК4 не имеет преимуществпо жаропрочности перед другими сплавами для поршней. Его преимущества проявляются при температуре 250. . .300 ◦ С. Это обусловлено несколькими механизмами упрочнения.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. Медьи магний имеют переменную растворимость в алюминии. Послезакалки, во время последующего искусственного старения, из пересыщенного твердого раствора выделяется интерметаллическаяфаза S — Аl2 МgСu в виде высокодисперсных частиц, что приводитк упрочнению сплава по механизму дисперсионного упрочнения.Железо и никель практически нерастворимы в алюминии.
Прикристаллизации эти элементы образуют фазу Аl9 FеNi в виде болеекрупных частиц, равномерно распределенных по объему зерен.При повышенной температуре частицы фазы Аl9 FеNi повышаютпрочность по механизму гетерофазного упрочнения.Титан выполняет роль модификатора при выплавке, что способствует образованию мелких дендритов, а затем и мелких зерен.Сплав не содержит таких переходных элементов, как хром, цирконий, которые препятствуют рекристаллизации (содержание марганца незначительно). Вследствие этого сплав АК4 после термообработки имеет рекристаллизованную мелкозернистую структуру.При мелком зерне реализуется механизм зеренного упрочнения.22Термообработка сплава АК4 состоит из закалки при температуре 525.
. .540 ◦ С и старения при температуре 190. . .200 ◦ С в течение12. . .24 ч.При термообработке деформируемых алюминиевых сплавов,применяемых для изготовления поршней, используют следующиережимы, обозначение которых отличается от обозначений, применяемых для литейных сплавов: Т — закалка + естественное старение; Т1 — закалка + искусственное старение на максимальнуюпрочность; Т2 — закалка + искусственное старение с некоторымпонижением прочности для повышения коррозионной стойкости.Фазовый состав и структура. После термообработки сплавимеет мелкое рекристаллизованное зерно с упрочняющими фазами: высокодисперсной, образовавшейся при старении, —S–Аl2 МgСu и более крупной, образовавшейся при кристаллизации, — Аl9 FеNi. Такое структурно-фазовое состояние обеспечивает следующие преимущества сплава АК4 по механическимсвойствам:• самый высокий предел прочности при комнатной температуре среди алюминиевых сплавов, применяемых для поршней ДВС,380.
. . 420 МПа (для поковок) (рис. 2.5);• повышенную жаропрочность при температуре 250. . .300 ◦ С;сплав АК4 по жаропрочности превосходит литейный силуминАК9ч, но несколько менее жаропрочен, чем сплав АЛ33.Рис. 2.5. Изменение временного сопротивления разрыву алюминиевыхсплавов для поршней и САП в зависимости от температуры испытания23Так, при температуре испытания t = 200 ◦ С предел 100-часовойдлительной прочности сплава АК4 σ100 = 200 МПа, при t = 250 ◦ Сσ100 = 75 МПа, а при t = 300 ◦ С σ100 = 40 МПа (для сплава АЛ33при t = 300 ◦ С σ100 = 90 МПа);• низкую скорость ползучести при длительном ресурсе работы;• равномерность механических свойств полуфабрикатов(штамповок) в трех направлениях: продольном, поперечном, высотном.Так, штамповка сплава АК4 в термически упрочненном состоянии имеет временное сопротивление разрыву в продольном направлении, равное 365 МПа, в поперечном — 355 МПа, а в высотном —345 МПа (ГОСТ 214888). Такая равномерность свойств обусловлена мелкокристаллической рекристаллизованной структурой.Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а.
Сплав АК4 имеет невысокую коррозионную стойкость, детали из этого сплава следуетанодировать или защищать лакокрасочными покрытиями.Т е х н о л о г и ч е с к и е с в о й с т в а. Сплав обладает повышенной пластичностью при горячей деформации, хорошейобрабатываемостью резанием, свариваемостью точечной и шовными видами сварки.П р и м е н е н и е.
Сплав АК4 предназначен для изготовленияпоршней ДВС, работающих при температуре 200. . .300 ◦ С.Кроме поршней из жаропрочных деформируемых сплавов изготовляют детали реактивных двигателей: колеса, диски, лопатки,крыльчатые насосы.Широкое применение алюминиевых сплавов сдерживается таким фактором, как их относительно высокая стоимость. И хотястоимость непрерывно снижается, она все еще в несколько разпревышает стоимость чугуна и стали. Поэтому очень важен учетвсех особенностей алюминиевых сплавов при конструировании иизготовлении деталей из этих сплавов.2.2.4. Композиционные материалы на основе алюминияСпеченная алюминиевая пудра.
Порошковые отечественныекомпозиционные материалы, в которых матрицей является алюминий, называют спеченной алюминиевой пудрой (CАП). Спеченную алюминиевую пудру получают из алюминиевого порошка,24состоящего из чешуек алюминия толщиной 1 мкм (такой порошок называется пудрой). Технология получения изделий из САПвключает следующие этапы:• холодное брикетирование пудры;• вакуумная дегазация брикетов;• спекание брикетов под давлением;• горячая или холодная деформация брикетов для полученияполуфабрикатов: прутки, профили, листы и др.;• механическая обработка полуфабрикатов.В исходном порошке каждая частица покрыта оксидной пленкой (Al2 O3 ). При брикетировании эта пленка разрывается, площадьповерхности частиц увеличивается, происходит контактирование исхватывание неокисленных участков.
При спекании под давлениемподобный процесс повторяется. Таким образом, САП представляет собой смесь алюминия с мельчайшими частицами оксида. Этичастицы препятствуют перераспределению дислокаций, что упрочняет материал.М е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а. Уровень прочностных характеристик повышается при увеличении содержанияоксида алюминия от 2 до 9 %.
Для сравнения в табл. 2.3 приведеныcредние значения механических характеристик чистого алюминияи КМ САП-1 (6. . .9 % Al2 О3 ).Таблица 2.3Механические характеристики композиционного сплава САП-1Материалσв , МПаσ0,2 , МПаδ, %Чистый алюминийдеформированный752530САП-13002008Тем не менее САП не могут соперничать со сплавами алюминия по уровню прочности при комнатной температуре.Спеченная алюминиевая пудра представляет интерес для применения при повышенной температуре. Это обусловлено тем, чтоупрочняющие частицы в сплавах и в САП имеют различную природу.25В сплавах частицы упрочняющих фаз, обеспечивающие дисперсионное упрочнение, получены в результате термической обработки — закалки и старения. При повышении температурыони вследствие диффузии увеличиваются в размерах, что снижает прочность. Выше линии переменной растворимости фазыθ–Аl2 Сu, θ , S–Аl2 МgСu растворяются.В САП частицы оксида алюминия вводят на одном из технологических этапов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
