Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Ковкие чугуныП о л у ч е н и е. В ковких чугунах частицы графита имеютхлопьевидную форму. Их получают при отжиге белого чугуна —сплава железа с углеродом (2,4. . .2,9 % С), в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fе3 С. Этоочень твердый и хрупкий сплав. Чтобы перевести углерод в несвязанную форму (графит), применяют два вида отжига. Первый — одноступенчатый отжиг при температуре выше Ас3 . В процессе этого отжига распадается эвтектический цементит: получается графитхлопьевидной формы, а металлическая часть чугуна имеет перлитную структуру.
Второй вид отжига — двухстадийный, с нагревомвыше Ас3 , а затем — ниже Ас1 . На второй стадии распадается и45эвтектоидный цементит, поэтому структура металлической частистановится чисто ферритной.С в о й с т в а. В результате длительного отжига ковкие чугунымалотехнологичны и более дороги, чем серые. В то же время длительные отжиги благоприятно влияют на структуру, практическиполностью снимая литейные остаточные напряжения. Отсутствиеэтих напряжений, а также компактная форма графитовых включений обусловливают более высокую прочность ковких чугунов посравнению с серыми (300.
. .800 МПа) при удовлетворительном относительном удлинении (от 10 % в КЧ 35 до 3 % в КЧ 60).М а р к и и п р и м е н е н и е. Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ и двумя числами — временным сопротивлением разрыву при испытании на растяжение (МПа/10) и значениемотносительного удлинения (ГОСТ 1215). Ковкие чугуны широкоиспользуются в автомобильном и сельскохозяйственном машиностроении.
Отличительной особенностью ковких чугунов является способность к получению тонких отливок сложной формы иоднородность свойств по сечению отливок. В табл. 2.11 приведены марки ковких чугунов, их зарубежные аналоги и применение.Таблица 2.11Марки ковких чугунов, зарубежные аналоги, применениеАналогиСША ЯпонияАнглияКЧ35-10 М3210 FCMB 340 B 35-12МаркаГерманияGTS 35-10ПрименениеДифференциалыруля, картерыКЧ37-12 24018 FCMB 360 W 38-12 GTW-S-38-12 Тормозные колодки, балансирыКЧ45-7 М4504 FCMWP440 W 47-07 GTS-45-06 Спупицы колес,тормозные барабаны, картеры редукторовКЧ50-5 М5003 FCMWP490 P 50-05 GTW-45-07 Вилка карданноговала, крышки подшипников коленчатого вала, муфты46Чугуны КЧ 35-10 и КЧ 37-12 (ферритные) применяют для изготовления деталей, которые должны работать при высоких статических и динамических нагрузках и при этом иметь повышеннуюпрочность, высокую пластичность и вязкость. Ковкие чугуны сбольшей прочностью КЧ 50-5, КЧ 55-4 и др.
(перлитные) применяют для изготовления деталей, работающих при высоких и особовысоких динамических и статических нагрузках, а также в тяжелых условиях износа.2.3.4. Специальные чугуныТак как высокопрочные чугуны являются весьма выгодным КМи по комплексу свойств и по относительной дешевизне, на их основе получают специальные чугуны. Это материалы со специальными свойствами — жаростойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные, износостойкие, немагнитные (рис. 2.11).Рис. 2.11.
Легирующие элементы и примеры марок специальных серыхчугуновВ л и я н и е э л е м е н т о в. Легирование хромом, алюминием и кремнием вызывает образование на поверхности чугуназащитных оксидных пленок, в результате чего повышается сопротивление сплавов газовой коррозии (жаростойкость) и действиюагрессивных сред (коррозионная стойкость). Введение меди (иногда — 5. .
.10 %) повышает и прочностные характеристики, и коррозионную стойкость.47Чугуны, легированные хромом, молибденом, никелем, приобретают свойство жаропрочности, и поэтому рабочая температура изготовленных из них деталей может быть повышена до500 ◦ С.Введение сильных карбидообразующих элементов (например,хрома) приводит к образованию специальных высокотвердых карбидов, что значительно повышает износостойкость чугунов.М а р к и п р и м е н е н и я. Специальные чугуны маркируются буквой Ч и буквами, обозначающими легирующие элементыс последующей цифрой, обозначающей концентрацию элемента всплаве. При содержании менее 1 % цифра не ставится.Примером применения специальных чугунов являются детали тепловозных и судовых двигателей, которые должны обладатьодновременно и жаропрочностью и жаростойкостью: головки составных поршней, крышки и днища цилиндров.
Их изготовляютиз чугунов марок ЧНМШ и ЧНХМД.Чугун, легированный никелем и хромом, имеет аустенитнуюструктуру и является материалом с повышенной коррозионнойстойкостью, жаропрочностью. Он применяется в тяжело нагруженных высокооборотных дизелях для корпусов турбин до температуры 800 o С.Легированный медью чугун ЧН15Д7 применяют для изготовления вставок гильз цилиндров, головок поршней, а также дляседел и направляющих втулок клапанов двигателей (см. разд.
4) идля деталей выхлопного коллектора (см. разд. 6).Износостойкий чугун марки ЧХ32 может работать в условияхсухого трения и гидроабразивной среды.В современном зарубежном двигателестроении для увеличениясрока службы цилиндропоршневой группы почти в 2 раза применяют чугун со специальным покрытием из оксида хрома Cr2 O3 . Дляэтой же цели используют чугун, полученный методом порошковойметаллургии. Высокая дисперсность структурных составляющихпорошкового чугуна обеспечивает высокое сопротивление износуи задиру при сохранении упругости и прочности.Кроме объемного легирования к чугунам применяют такжеповерхностную химико-термическую обработку, что позволяетиспользовать их в более жестких условиях работы.
Так, насыщение поверхности алюминием (алитирование) повышает жаро48стойкость, азотирование — износостойкость. Азотированные чугуны, на поверхности которых присутствуют твердые частицы нитрида железа и хрома, предназначены для работы в условиях сухого трения скольжения.Высокопрочные чугуны используют в различных отраслях техники, эффективно заменяя ими сталь во многих изделиях и конструкциях.
Наиболее целесообразно применять их для изготовления ответственных деталей, работающих при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания (шатуны, тормозныебарабаны, ступицы колес).2.4. Выбор материалов для поршнейПри выборе материала для поршня нужно учитывать условияэксплуатации, технологические (трудоемкость, обрабатываемость,режимы термообработки) и экономические требования. Для массового производства применяют упрощенные технологии при некоторой потере уровня свойств.
В специальных отраслях, где проблема прочности и удельной прочности играет решающую роль,при выборе материала и технологии обработки следует исходитьиз условий максимального уровня эксплуатационных свойств.Материалы для поршней — алюминиевые сплавы, чугуны, композиционные материалы на основе алюминия — имеют различныйкомплекс механических, физических, химических и технологических свойств.
В зависимости от назначения двигателя и типа конструкции поршня могут использоваться различные материалы.Силумины обладают высокой технологичностью, применимыдля отливок сложной формы, но не пригодны для работы при повышенной температуре. Литейные сплавы повышенной жаропрочности имеют плохие литейные свойства, требуют специальных затратдля получения качественных отливок. Поршни двигателей многихтипов, прежде всего автомобильных и тракторных, изготовляют изсилуминов при литье в кокиль.Выбор литого или деформируемого сплава находится в компетенции конструктора.На рис. 2.12, 2.13 и в табл.
2.12 приведено сравнение свойствдвух алюминиевых сплавов: деформируемого АК4, полученногогорячей штамповкой, и литейного легированного силумина АЛ2549Рис. 2.12. Изменение кратковременной твердости сплавов АК4 и АК25 взависимости от температуры испытанияРис. 2.13. Изменение длительной твердости сплавов АК4 и АК25 в зависимости от температуры испытания(АК12М2МГН), полученного штамповкой жидкого металла (расплава) на гидравлическом прессе. Сплавы предназначены для изготовления поршней, незначительно отличающихся по геометрическим параметрам, но работающих в различных условиях тепловойнапряженности.Штамповки сплава АК4 подвергли закалке и последующемустарению.
Принятая технология обеспечила высокие значениямеханических характеристик материала при комнатной температуре: σв = 450 МПа, σ0,2 = 350 МПа, δ = 14 %, НВ 136. . .138(см. табл. 2.12).Сплав АК25 после жидкой штамповки также подвергали закалке и старению, в результате чего сплав имел более низкую прочность, чем сплав АК4 (см.
табл. 2.12).50Таблица 2.12Механические свойства алюминиевых сплавов для поршней,изготовленных по различным технологиямCплав, способизготовления поршнейАК4, горячая штамповкаАЛ25, штамповка жидкого сплаваТемператураиспытания, σв , МПа σ0,2 , МПа◦Cδ, %2045035014,210043035014,82003603259,630015515012,0400403832,4202502151,21002201951,22001901802,03001301204,040050409,6Испытания механических свойств, проведенные в интервалетемператур 200. . .400 ◦ С, показали, что по кратковременным свойствам (σв , σ0,2 , δ) и кратковременной твердости (нагрев при температуре испытания в течение 30 с) сплав АК4 имеет достаточно высокие показатели прочности и пластичности по сравнениюс соответствующими показателями образцов из сплава АЛ25 (см.табл. 2.12, рис.
2.12). Это преимущество сохраняется до температуры испытания 300 ◦ С. Однако испытания более длительные (нагревв течение 1 ч) показали, что при температуре выше 250 ◦ С сплавАЛ25 является более твердым, чем сплав АК4 (см. рис. 2.13).Следовательно, поршни, работающие при температуре до250 ◦ С, предпочтительнее изготовлять горячей штамповкой изсплава АК4, а поршни, работающие при температуре, близкой к300 ◦ С, — жидкой штамповкой из литейного сплава АЛ25.Алюминиевые сплавы отличаются от чугунов меньшей плотностью, хорошей термостойкостью, коррозионной стойкостью, лучшими физическими свойствами. Однако они разупрочняются при51температуре выше 250 ◦ С, имеют низкий модуль упругости и высокий ТКЛР.Несмотря на то что масса поршней из чугуна больше массыпоршней из алюминиевых сплавов, последние также применяютдля изготовления поршней быстроходных двигателей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
