Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 6
Текст из файла (страница 6)
.20 %;• существенное повышение термостойкости;• снижение износа рабочих поверхностей поршня без появления термических трещин на кромках.Наибольшее распространение КМ нашли при изготовлениипоршней форсированных двигателей. Поршни диаметром менее3190. . .100 мм в основном изготовляются полностью из АКМ. Вэтом случае улучшаются прочностные свойства при повышенныхтемпературе и износостойкости, уменьшается ТКЛР АКМ. Крометого, можно поднять вверх первое поршневое кольцо и уменьшитьзазор в сопряжении поршень — гильза, с которыми связаны шум,вибрация и пропуск газов двигателя.Для поршней форсированных двигателей размером менее90.
. .100 мм применяют ЛКД матричного сплава с добавкамикарбида кремния SiC, карбида титана TiC, карбида бора B 4 C. Размер частиц порошкового наполнителя составляет 3. . .5 мкм, ихсодержание в материале — 15. . .30 %. В этом случае армированиеАКМ проводят в зоне верхней поршневой канавки и острой кромкикамеры сгорания.Поршни диаметром более 90. . .100 мм экономически выгоднееизготовлять методом жидкой штамповки с пропиткой пористых керамических вставок.
В этом случае армируется вся головка поршня.Возможно также расположение керамической пористой вставки вкамере сгорания поршня. Попадающее на нее топливо быстро иполностью испаряется вследствие высокой температуры и развитой поверхности вставки. Это способствует гомогенизации смеси,снижению выбросов газов и твердых частиц.Преимущества АКМ, в котором армирующим веществомявляются стекловолокна муллитокремнеземистого состава, выявляются при сравнении со свойствами легированного силуминаАК12М2МГН (АЛ25), отлитого в кокиль и полученного жидкойштамповкой (рис.
2.7).Введение в матричный сплав 20 % стекловолокна муллитокремнезема незначительно улучшает прочностные свойства прикомнатной температуре, но позволяет расширить работоспособность сплава при повышенных (300. . .400◦ С) температурах, прикоторых матричный сплав значительно разупрочняется. Так, притемпературе 200 ◦ С длительная прочность (на базе 1000 ч) высокаи у сплава после жидкой штамповки, и у АКМ (20 % муллитокремнезема), а при температуре 300 ◦ С преимущества имеет толькоАКМ.Кроме того, АКМ имеет на 10.
. .15 % более низкий ТКЛР изначительно пониженную теплопроводность (до 30 %). При этом32Рис. 2.7. Длительная прочность силумина, полученного при литье в кокиль и при жидкой штамповке, и алюминиевого композиционного материала АКМплотность и удельная теплоемкость изменяются незначительно.Это позволяет обеспечить надежную эксплуатацию поршней нафорсированных дизелях.Для двигателя в целом применение АКМ обеспечивает снижение массы деталей, увеличение их надежности и срока службы, чтов конечном итоге приводит к экономии топлива и масла, снижениюуровня шума и экологических показателей.Разнообразные КМ в двигателях внутреннего сгорания применяют зарубежные автомобильные фирмы (табл. 2.6).Для поршней форсированных двигателей применяют порошковую металлокерамику. В зоне поршня, работающей на износ, атакже по всей головке применяют и частичную армировку керамическим составом — 51 % Al2 O3 + 49 % SiO2 .Для уменьшения массы деталей и межцилиндровых зазоровгильзы цилиндров изготовляют из КМ, матрицей которого являет33Таблица 2.6АКМ в конструкциях поршней зарубежных фирмТип КМПорошковыйВолокнистыйКомпоненты КММатрицаНаполнительКонструкция, детальПористаякерамикаMногоцилиндровыеСилуминсостава Al2 O3 +дизели с(Al + 12 % Si +турбонаддувом+ SiO2+ Cu + Mg +(Fiberfax)+ Ni)Bставки подAl2 O3 + 4 % Siверхние поршневые(Saffil)кольца (Toyota)AlBолокна Al2 O3 ,SiC, Si3 N4(10.
. .30 %)Поршни дизелейся алюминий, а наполнителями — кроме Al2 O3 углеродные волокна (Honda). В Японии для поршней и гильз цилиндров применяютпористый спеченный сплав на основе порошков, состоящих из железа, легированного Ni, Cr, Co, Mo, и залитых алюминием.Керамика, графит. Из керамики, состоящей из смеси оксидов ZrO2 и Al2 O3 , методом порошковой металлургии изготовляютпоршни, цилиндры, а также стержни клапанов (Lockheed process);из смеси порошков Si3 N4 и Al2 O3 — толкатели (Peugeot, Citroen).Последним словом материаловедения в поршневых ДВС является изготовление поршней из графита (Daimler-Benz). Технология изготовления состоит в заполнении расплавленным металлом(Co, Ni, Cr, Mn, Cu, Al, Mg, Zn) пористого изотропного графита.Полученный КМ имеет достаточную прочность, термостойкость,низкий коэффициент трения.
Применение таких поршней характеризуется высокой стоимостью, но при этом снижается расходтоплива и уменьшаются вредные выбросы.Полимерокомпозиционные материалы. Основу полимерокомпозиционных материалов составляют полимерные материалы, анаполнителем служат волокна из углерода, стекла, порошков металлов или керамики. Полимерокомпозиционные материалы обладают малой плотностью, высокими антифрикционными свойства34ми и применяются для изготовления элементов с небольшими тепловыми нагрузками, например юбки поршня.2.3. ЧугуныЧугуны — литейные сплавы железа с углеродом при содержании последнего 2,14 %. При концентрации углерода свыше 2,14 %в сплавах Fе — С кристаллизация протекает (заканчивается) поэвтектической реакции.
Эта реакция, протекающая при постоянной температуре, как известно, обеспечивает хорошие литейныесвойства сплавов.Отличие конструкционных чугунов (серых, ковких, высокопрочных) от чугунов диаграммы «железо — цементит» состоитв том, что в них углерод присутствует в основном в виде графита(свободное состояние) и только частично в виде цементита Fe 3 C(химически связанное состояние).Для получения графита в чугунах применяют два способа:• легируют железоуглеродистый сплав Fе — С элементом, который изменяет диаграмму состояния, способствуя графитизациипри кристаллизации и охлаждении кремнием (1,0. . .3,0 %); так получают серые и высокопрочные чугуны;• при меньшем содержании кремния (до 1,6 %) получают отливки с цементитом, а затем проводят длительный отжиг, во времякоторого цементит разлагается с образованием графита; так получают ковкие чугуны.Чугуны можно условно назвать композиционными материалами: матрица в них металлическая (феррит, перлит или их сочетание), а неметаллическая матрица — графит.
Различие с классическими КМ состоит в том, что графит не является армирующимкомпонентом.Чугуны подразделяют по нескольким классификационным признакам: по форме включений графита, по фазовому составу металлической составляющей, по принципу легирования. В зависимостиот формы графита чугуны имеют различные названия: при пластинчатой форме графита чугун называют серым, при шаровидной — высокопрочным, при хлопьевидной — ковким, при тонкойпруткообразной форме — вермикулярным.35По фазовому составу металлической части чугуны подразделяют на ферритный, ферритно-перлитный и перлитный.
Фазовыйсостав металлической части зависит от того, насколько полно прикристаллизации фазовые превращения соответствуют равновеснойдиаграмме (т. е. диаграмме «железо — графит»). Контролирующимфактором является эвтектоидное превращение.Если эвтектоидное превращение идет по реакции А → [Ф ++ Г], то углерод полностью находится в свободном состоянии, несвязанном в химические соединения. Такие чугуны называют ферритными.Если создать условия (за счет изменения содержания легирующих элементов или скорости охлаждения), при которых эвтектоидная реакция в чугунах будет протекать с образованием перлита(частично или полностью), то окончательная структура чугуновбудет следующей:[Ф + Г + П] + Гили[Ф + П] + Г.Такие чугуны носят название ферритно-перлитных или перлитных.Микроструктуры чугунов с различной формой графита и металлической составляющей показаны на рис.
2.8.Чугуны являются дешевым и технологичным материалом, чтопозволяет использовать их для литых деталей во многих отрасляхмашиностроения. По сравнению со сталями они имеют лучшиелитейные свойства: более низкую температуру плавления, малуюсклонность к образованию усадочных раковин, окончание кристаллизации при постоянной температуре, обеспечивающие жидкотекучесть и герметичность. Чугуны также технологичны при обработке резанием.Физические и механические свойствач у г у н о в в значительной степени определяются количеством иформой графитовых включений.Благодаря присутствию графита чугун имеет меньшую плотность (7,2 т/м3 ) и более высокую теплопроводность, чем сталь.М е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а чугунов зависят от соотношения структурных составляющих и параметров графитных36Рис. 2.8.
Микроструктуры чугунов с различной формой графита и различным составом металлической части:а — серый чугун с пластинчатой формой графита и ферритно-перлитной матрицей; б — высокопрочный чугун с шаровидным графитом и ферритно-перлитнойматрицей; в, г — ковкие чугуны с ферритной (в) и с ферритно-перлитной матрицами (г)включений (форма, размер). Прочность чугунов при растяжении ипри изгибе и относительное удлинение увеличиваются в ряду отферритного к перлитному и от серого (пластинчатая форма графита) к высокопрочному (шаровидная форма графита) (табл. 2.7).Графит — очень мягкая составляющая ( σв = 17 . . .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
