Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Механизм упрочнения КМ частицами небольших размеров (нуль-мерными частицами) называется дисперснымупрочнением. Его отличие от дисперсионного упрочнения в сплавахсостоит в следующем:• оксид алюминия в отличие от интерметаллических фаз имеетковалентный тип связи и является более твердым;• oксид представляет собой тугоплавкое соединение, он нерастворим в алюминии. Вследствие этого упрочнение, достигнутоепри получении материала, сохраняется при нагреве до высокойтемпературы.Сходство двух механизмов упрочнения состоит в том, что уровень прочности пропорционален содержанию оксида алюминия.Спеченные алюминиевые пудры работоспособны при температуре до 500 ◦ С, когда все алюминиевые сплавы сильно разупрочняются (табл.
2.4).Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а. Спеченные алюминиевые пудры, содержащие химические стойкий оксид, отличаютсявысокой коррозионной стойкостью и отсутствием коррозии поднапряжением.Композиционный материал САП применяют для изготовленияпоршней, штоков лопаток компрессоров и турбин.Сравнение механических свойств литейных и деформируемыхсплавов для поршней и КМ САП приведено в табл.
2.4.Спеченные алюминиевые пудры на основе алюминия по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами имеют ряд несомненных преимуществ, перечисленных ниже.По механическим свойствам:• более высокая жаропрочность (САП могут работать при температуре до 500 ◦ С);• лучшая износостойкость (больше объемная доля твердых частиц);26• высокое сопротивление термоусталости и детонационномувоздействию.По химическим свойствам:• высокая коррозионная стойкость (вследствие присутствия химически стойкого оксида алюминия Al2 O3 ).Таблица 2.4Материалы на алюминиевой основе для поршней ДВСТипсплаваМаркаσв ,МПаσ100 ,МПапри300 ◦ САК7ч20025АК5М29050Сплавы повышен- АМ5ной жаропрочности АЛ33260–32060175,mах 275Название cплаваСилуминЛитейныйПредельнаярабочаятемпература,◦С170ДеформируемыйКовочныйАК4–45320КомпозиционныйСпеченныйпорошковыйСАП-1300115До 550По физическим свойствам:• более низкий ТКЛР без заметной потери теплопроводности(при наличии 6.
. .9 % оксида алюминия);• меньшая плотность и, как следствие, бо́льшая удельная прочность.Металлокерамика — материал, в котором матрицей являетсяалюминий или силумины (двойные и специальные), а наполнителем — порошковая или волокнистая керамика (кислородная ибескислородная). Все возрастающие требования, предъявляемыек транспортным двигателям, вызывают необходимость созданияи применения таких новых материалов и технологических процессов при изготовлении наиболее напряженных деталей и узловдвигателей.Общее обозначение КМ с алюминиевой матрицей — АКМ.Применение АКМ призвано устранить недостатки цельнолитых алюминиевых поршней при работе на форсированных дизе27лях — изнашивание тела поршня в зоне сопряжения поверхностикольцевой канавки с первым компрессионным стальным кольцом;изнашивание и разбивание поршня в районе верхней канавки.В порошковой металлокерамике, применяемой для поршнейДВС, наполнителем является оксид алюминия Al2 O3 , в волокнистой — муллитокремнезем (Al2 O3 + SiO2 ) или карбиды SiC и B4 C.Основным механизмом упрочнения в порошковых КМ являетсядисперсное упрочнение, а в волокнистых — армирующий эффект.Эти наполнители имеют иную природу межатомной связи, чемметаллическая основа, — это вещества с ковалентным и ионнымтипом химической связи, что и определяет более высокий уровеньследующих свойств:• жаропрочности;• жаростойкости (сопротивления окислению при повышенныхтемпературах);• термостабильности (сопротивления резким теплосменам);поэтому детали из керамических материалов не боятся перегреваи не нуждаются в принудительном охлаждении;• износостойкости, которая определяется высокой твердостьюсоставляющих керамику минералов.Поршни из металлокерамики типа АКМ изготовляют одним изследующих способов:• смешивание частиц керамики со сплавом;• заливка пористой керамики сплавом;• жидкая штамповка со сквозной пропиткой волокнистой керамической вставки.Смешивание частиц керамики со сплавом.
В расплав алюминиявводят частицы Al2 O3 , или SiC, или TiC дисперсностью 3. . .10 мкми 5. . .12 % (по объему). Свойства такого композита по сравнению ссилумином изменяются следующим образом (испытания при температуре 300 ◦ С):• твердость сплава возрастает с 25 до 45 НВ;• длительная прочность увеличивается с 45 до 60 МПа;• предел выносливости (база испытаний 2 · 106 циклов) повышается с 65 до 85 МПа;• износостойкость увеличивается в два раза;• ТКЛР уменьшается с 21,3 · 10−6 до 18,5 · 10−6 K−1 .28Oтметим, что технологические (литейные) свойства АКМ привведении наполнителя более 16.
. . 20 % (по объему) ухудшение посравнению с матричными сплавами.Заливка пористой керамики расплавом. Технология изготовления такого поршня включает следующие этапы:• изготовление пористой заготовки из карбида титана с размером пор 1. . .10 мкм;• пропитка пористой заготовки алюминиевым сплавом в вакууме;• установка композиционной заготовки донышка поршня в матрицу (алюминиевый сплав в порах — жидкий);• заливка в матрицу поршневого сплава и прессование отливки.По описанной технологии изготовляют поршни двухтактногоДВС с днищем из КМ «пористый карбид титана — алюминиевыйсплав».Механические характеристики КМ «алюминиевый сплав —карбид титана» при высокой температуре существенно выше,чем у поршневых алюминиевых сплавов, например у силумина(табл. 2.5).Таблица 2.5Сравнительные характеристики специального силумина АЛ25(АК12М2МгН) и КМ «карбид титана — силумин»ХарактеристикаТемпература, ◦ СМатериалАЛ25TiC + АЛ252006017530025140Е , ГПа2007617640067165σизг , МПа2002903704002031030.
. . 3002212,5НВТКЛР·10−6,K−1При температуре 200 ◦ С твердость специального силумина в 3раза выше, чем твердость КМ «карбид титана — силумин», а при300 ◦ С — почти в 4,5 раза выше.29Повышение температуры испытания на 100 ◦ С снижает твердость силумина почти в три раза, а КМ — на 20 %.Модуль упругости у КМ при всех температурах выше в 2,5раза.
Предел прочности при изгибе при температуре 200 ◦ С у КМвыше всего на 80 ГПа, но при повышенной температуре (400 ◦ С)он выше на порядок. Это обусловлено существенным разупрочнением литого сплава и практически отсутствием разупрочненияматериала, содержащего карбид кремния.Технология пропитки вставок из керамических волокон с применением литья с кристаллизацией под давлением (или жидкойштамповки) является наиболее перспективным направлением повышения надежности и долговечности работы деталей. При этомпроводится локальное армирование с введением большого количества (более 20 %) армирующего компонента.
Такие локальноармированные алюминиевые композиты используются, например,в промышленном производстве дизельных поршней и блоков цилиндров.Литье с кристаллизацией под давлением (ЛКД) является наиболее предпочтительным способом изготовления фасонных отливокиз литых КМ. При этом способе происходит выдавливание газов, обеспечивается достаточно высокая плотность заготовки, чтопрактически устраняет проблемы, связанные с повышенным газосодержанием и потерей уровня жидкотекучести матричного сплавапри введении керамических частиц.
Изготовленные методом ЛКДдетали из АКМ часто допускают термическую обработку и проявляют улучшенную усталостную прочность.Примером применения указанного способа является изготовление поршня с керамической волокнистой вставкой и нерезистивновым кольцом (рис. 2.6).Заготовку под такой поршень изготовляют методом ЛКД приупрочнении отдельных зон поршня (канавки, кромки и т. п.) муллитокремнеземными дискретными волокнами (Al2 O3 + SiO2 ). Волокна имеют диаметр 2. .
.4 мкм, а их объемное содержание составляет10. . .20 % КМ.Технология изготовления такой заготовки поршня включаетследующие этапы:• укладка вставки из муллитокремнезема на дно матрицы (см.рис. 2.6);30Рис. 2.6. Схема поршня с керамической вставкой:1 — нижний пуансон; 2 — стол пресса; 3 — матрица; 4 — подвижный контейнер;5 — боковой пуансон; 6 — основной пуансон; 7 — ползун пресса; 8 — заготовка изалюминиевого сплава; 9 — нерезистивное кольцо литейного поршневого сплава;10 — керамическая вставка• заполнение порового пространства керамической вставки волокнистого строения расплавом (силумин);• кристаллизация под давлением: с помощью пуансона вставкапропитывается матричным сплавом, композитная заготовка кристаллизуется при давлении 100.
. .120 МПа за 2. . .3 мин.Такая технология позволяет за один прием (технологическийпередел) изготовлять композицию в системе «волокно — металл»в заготовке поршня в заданной зоне. Преимущества по сравнениюс традиционной технологией литья силуминов в кокиль:• снижение расхода металла на 30. . .40 %;• получение плотной и мелкозернистой структуры без дефектови газовой пористости;• повышение механических и физических свойств материалапоршня на 15. .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
