Композиционный материал для отливки поршней ДВС Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.714.1

А. В. Богуслаев, В. В. Клочихин, Г. Л. Дубров, Д. А. Темкин, Т. Д. Соболевская, Т. А. Коваленко, Н. П. Синяева

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОТЛИВКИ

ПОРШНЕЙ ДВС

Исследовано влияние введения в алюминиевый сплав АЛ25 ультрадисперсных частиц карбида кремния БЮ. Установлено, что использование в процессе плавки частиц БЮ и флюса к27.т¥6приводит к образованию более совершенной структуры и повышению механических свойств.

Поршень является одной из самых ответственных деталей, работающих в циклически напряженных условиях. Поэтому к материалу поршней предъявляются высокие требования.

Материал для поршней должен обладать следующими свойствами: малой плотностью, высокой теплопроводностью, повышенной жаропрочностью при 200-400 °С, высокой твердостью, особенно при высоких температурах, коррозионной стойкостью, хорошими технологическими свойствами и низким коэффициентом термического расширения.

Обычно поршни выходят из строя вследствие прогара днища, появления задиров и трещин, изнашивания верхней компрессорной канавки, отверстий в бобышках под поршневыми кольцами и др.

Наиболее распространенным материалом для поршней являются алюминиевые сплавы [1]. В настоящее время для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания в основном используют эвтектические алюминиевые сплавы системы Al-Si с содержанием кремния до 12 %.

Необходимость повышения физико-механических свойств литейных сплавов на основе физического металловедения (легирования, термической и термомеханической обработки) практически исчерпали свои возможности радикального повышения надежности и работоспособности металлических материалов (сталей, титановых, медных, алюминиевых сплавов); дальнейшее увеличение их прочности не приводит к адекватному росту модуля нормальной упругости. Кроме того, гомогенные металлические материалы характеризуется повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений. Поэтому практически во всех промышленно развитых странах растет интерес к композиционным материалам (КМ) [2].

Методы получения в промышленных масштабах изделий из КМ должны решать следующие задачи: обеспечить максимально возможные физико-механические свойства КМ, воспроизводимость и стабильность качества изделий из композита в услови-

ях индивидуального и серийного производства.

Сегодня промышленные технологии синтеза изделий находятся в стадии отработки или опытно-производственного освоения и в литературе освещаются описательно, так как содержат «ноу-хау» и составляют коммерческую тайну.

В самом общем случае синтез материалов, содержащих ультрадисперсные порошки (УДП) тугоплавких соединений, включает в себя получение расплава выбранного материала-матрицы, ввод в него упрочняющей фазы, получение ее равномерного распределения в объеме металла, заливку и кристаллизацию в форме.

Наиболее приемлемые способы ввода УДП:

- получение взвеси УДП непосредственно в металле в результате химической реакции расплава со специальным веществом (рафинирующий флюс);

- формирование брикетов (таблеток) при совместном прессовании порошков основы сплава и УДП с последующим их погружением в расплав;

- смешивание компонентов специального флюса с частицами, нанесение смеси на поверхность жидкого металла или в капсуле под зеркало расплава и выдержка его до прекращения реакции между флюсом и сплавом;

- метод использования газа-носителя заключается в том, что в расплав металла-матрицы, находящегося в неподвижной емкости, струей газа порциями вводят частицы упрочняющей фазы;

- возможен ввод УДП в составе сложных флюсов, УДП смешивают с компонентами специального флюса, помещают в капсулу или прессуют в таблетки и вводят в расплав при температуре 723-850 °С. Капсула или таблетка разрушается в объеме металла, а флюс, образуя летучие соединения или газ, равномерно распределяют твердые частицы в нем. Отмечается, что способ твердых флюсов дает более стабильные результаты, чем вдувание твердой фазы инертным газом или ее механическое замешивание [3].

В работе [4] приведено исследование техноло-

© А. В. Богуслаев, В. В. Клочихин, Г. Л. Дубров, Д. А. Темкин, Т. Д. Соболевская, Т. А. Коваленко, Н. П. Синяева, 2008 ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008 - 75 -

гического процесса получения КМ путем введения в алюминиевый расплав механическим замешиванием частиц БЮ с добавлением лигатуры, в состав которой входит титан и второй вариант - введение в алюминиевые расплавы прессованных брикетов, состоящих из порошков титана или смеси порошков карбида кремния и титана.

По результатам испытаний сделаны выводы о том, что КМ системы Л1-Т1-БЮ обладают высокими антифрикционными свойствами и могут быть предложены для замены традиционных медных антифрикционных сплавов.

Основным способом получения литых КМ с металлической матрицей, армированных дискретным наполнителем, является механическое замешивание частиц в жидкометаллическую ванну. При этом свойства КМ зависят не только от вида и объемной доли армирующего наполнителя, но и от его распределения в матрице, качестве связи наполнителя и матрицы, количества, состава и морфологии продуктов межфазных реакций, структуры литой матрицы.

Порошки карбида кремния размером 3-40 мкм вводили в алюминиевый сплав В124 путем замешивания двухлопастной пропеллерной мешалкой, скорость вращения мешалки 400 мин-1, время перемешивания от 5 до 120 мин.

Установлено, что армирующая фаза распределена неравномерно по объему матрицы как при литье в землю, так и при жидкой штамповке, причем склонность к агломерации обнаруживают как порошки диаметром ё < 3 мкм, так и более крупные порошки (0 28 и 40 мкм). С увеличением времени выдержки перед разливкой в форму равномерность распределения частиц в матрице улучшается. В участках скопления частиц встречаются поры [5].

В настоящее время в области материаловедения композитов, разработки надежных промышленных технологий КМ работают и имеют признанные достижения научные фирмы и научные организации практически всех промышленно развитых и развивающихся стран, в том числе, США, Япония, Великобритания, Германия, Россия, Польша, Беларусь, Украина и др.

Особо актуальным это направление является в Украине и других странах, которые не имеют своих собственных месторождений меди, свинца, олова и сурьмы - основного сырья для производства высокопрочных и износостойких антифрикционных сплавов [2].

Среди композитов на основе алюминия следует отметить материал Бига1сап, который разработан фирмой Бига1сап (США). Фирма предлагает композиционный материал для получения поршней методом литья и обработки давлением. Литейную модификацию получают добавлением частиц карбида

кремния БЮ размером от 10 до 12 мкм к жаропрочному сплаву, предназначенному для поршней. Этот материал позволяет отливать очень точные детали с использованием стандартной технологии. Он имеет более высокие модуль упругости, прочность, жесткость (на 35 %) и износостойкость (в 3 раза), а также меньший коэффициент теплового расширения (на 25 %) по сравнению с литейными неармированными алюминиевыми сплавами. Преимущества Бига1сап заключается в его применении для литейного производства и невысокой стоимости по сравнению с традиционными литейными КМ [5].

Введение в сплав ультрадисперсных частиц в виде таблеток имеет следующие преимущества:

- быстрое растворение при обычных рабочих температурах;

- высокий процент усвоения элементов;

- минимальные потери температуры в процессе добавления таблеток;

- быстрая и равномерная растворимость [7].

Известно, что дисперсные порошки характеризуются специфическими аутогезионными взаимодействиями, т. е. взаимными связями различной физической природы между частицами, которые препятствуют разъединению последних без применения внешних усилий. С ростом дисперсности роль межчастичных взаимодействий возрастает и выражается в увеличении слипаемости частиц порошка благодаря возрастанию сил сцепления между ними, что вызывает повышенную агрегированность [8].

При возрастании сил сцепления между УДП затрудняется качественное перемешивание порошкообразных компонентов, что неизбежно сказывается неблагоприятным образом на качестве брикетированных таблеток.

Предметом настоящей работы явилось исследование влияния на механические свойства и структурное состояние сплава АЛ25 (дендритный параметр а-твердого раствора алюминия, размеры эвтектического и первичного кремния) введения в расплав в составе таблетки тугоплавких УДП карбида кремния БЮ и флюса К^гБ^

Материалы, технология изготовления и методы исследования

В процессе проведения экспериментов использовали порошок алюминия марки ПА-4, порошки карбида кремния, полученные плазмохимическим методом и методом СВС, микропорошка зеленого карбида кремния с размером частиц 3 мкм, порошок флюса калий-цирконий фтористый.

В качестве матричного сплава использовался сплав АЛ25.

Способ введения в расплав порошков карбида кремния принят в виде брикетированных таблеток. Приготовление шихты для таблеток производили в

смесителе с эксцентричной осью вращения и аттри-торе.

Плавка произведена в индукционной печи при частоте 2400 Ш. Вес плавки 3кг, образцы отлиты в специальном кокиле. Выполнено 25 плавок.

Измерение температуры в процессе плавки осуществляли термопарой ХК со специальным экраном от воздействия магнитного поля индуктора.

Плавку проводили при температуре 680-750 °С, таблетки вводили в расплав под колоколом с выдержкой после введения до разливки 10 минут.

Механические испытания образцов проводились при 20 °С и 300 °С после термообработки по режиму Т1, длительная жаропрочность определялась при 50 МПа, твердость измеряли после выдержки в течении 100 часов при 300 °С [9].

Исследование микроструктуры осуществляли с применением метода элетронной микроскопии; микроскопы 18М-Т300 и 18М- 6360ЬЛ с приставкой для проведения рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).

Исследования проводились на отдельно отлитых в кокиль заготовках пяти вариантов:

- «0» - базовый сплав АЛ25;

- № 1 - содержание 81С - 0,05 %;

- № 2 - содержание 81С - 0,2 %;

- № 3 - содержание 81С - 0,05 %, К^ - 0,1 %;

- № 4 - содержание 81С - 1,2 %, К^ - 2,4 %.

Результаты исследования и их обсуждение

В работе обращено особое внимание к технологии изготовления таблеток с однородным распределением компонентов. На ниже приведенном рисунке показана микроструктура в пределах одного шлифа - скопление частиц флюса и карбида кремния (рис. 1, а) и второй снимок - скопление частиц порошка алюминия (рис. 1, б). Следует предполагать, что таблетки, содержащие скопления спрессованных частиц 81С, при попадании в расплав алюминия не могут равномерно распределяться в общей массе металла. На рис.1, в представлена микроструктура таблеток с оптимальным распределением.

Химический состав отливок приведен в таблице

1.

Значения механических и жаропрочных характеристик представлены в таблице 2.

Проведено определение жаропрочности образцов путем измерения твердости в исходном состоянии и после выдержки при температуре 300 °С в течение 100 часов. При этом установлено, что на образцах из сплава АЛ25 снизилось значение твердости до 40 %, на модифицированном сплаве твердость снизилась на 30 %.

Оптимизация структуры является одним из главных факторов, обеспечивающих необходимый уровень свойств поршней из сплава АЛ25 при комнатной и повышенных температурах.

Исследование проводилось на отдельно отлитых в кокиль заготовках инд. №№: 0 - базовый сплав, 1, 2, 3, 4. На рис. 2-6 приведено микроструктурное состояние указанных заготовок

№ п/п Состав таблетки № варианта Содержание элементов в отливке,%

Бе Си Мп Мд N1 Т1 гг

1 Сплав АЛ25 0 11,81 0,70 1,90 0,60 0,93 0,81 0,18 0

2 АЛ25+81С 1 11,63 0,75 1,85 0,55 0,85 0,80 0,18 0

3 АЛ25+8Ю+К2ггР6 2 11,33 0,79 1,90 0,60 0,83 0,82 0,18 0

4 АЛ25+8Ю+К2ггР6 3 11,47 0,71 1,92 0,60 0,87 0,80 0,16 0,081

5 АЛ25+8Ю+К2ггР6 4 11,22 0,8 1,88 0,52 0,66 0,81 0,16 0,26

Нормы ГОСТ 1583-93 11-13 ?0,8 1,5-3,0 0,3-0,6 0,8-1,3 0,8-1,3 0,05-0,2 -

Рис. 1. Микроструктура таблеток, х 500:

а - скопление частиц флюса и карбида кремния; б - скопление частиц порошка алюминия; в - оптимальное распределение

компонентов

Таблица 1 - Химический состав отливок исследуемых вариантов

ТББМ1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008

- 77 -

Таблица 2 - Механические свойства отливок исследуемых вариантов при комнатной и повышенной температурах

№ № Механические свойства при 20 °С Длительная прочность при

п/п варианта сте, МПА НВ, МПА Т = 300 °С, ст = 50 МПА

1 0 210,7 950 116

2 1 210,6 1040 104

3 2 246,0 1100 121

4 3 248,0 1040 172

5 4 244,0 1080 124

Нормы > 190 > 900

ГОСТ 1583-93

Рис. 4. Микроструктура образца 2, х 500 Рис. 5. Микроструктура образца 3, х 500

Рис. 6. Микроструктура образца 4, х 500

в алюминиевый сплав АЛ25 обусловливает умень -шение дендритного параметра (уменьшение размера зерна а-твердого раствора), измельчение первичного и эвтектического кремния.

3. Композиционный сплав АЛ25 с одновременным введением ультрадисперсных частиц SiC с флюсом следует рекомендовать для отливки опытных партий поршней ДВС.

Перечень ссылок

1. Колобнев И.Ф., Швырева Л.В., Ночегова И.С. Высокотемпературные и жаропрочные сплавы. Сб. статей ВИАМ, 1966. - С. 5-7.

2. Найдек В.Л.,Загуловский С.С. Проблемы литья. - № 4. - 2004. - С. 3-14.

3. Михайленков В.Г., Могилатенко И.П. Получение дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе алюминия. Процессы литья. - 1996. - № 2. - 49 с.

4. А. А. Панфилов и др. Синтез комбинированных алюмоматричных композиционных материала-ов с использованием материалов с использованием IN-SITU процесса. Наука, техника, технология. УИЦ.

5. Т. А. Чернышова, А.В. Панфилов, Л.И. Кобеле-ва, М.М. Тылкина. Управление структурой сплава алюминия посредством введения в расплав дисперсных частиц карбида кремния. Физика и химия. Обработка материалов. - 1993. - № 3.-С. 129-137.

6. Литой композиционный материал. Литейное производство. - 1992. - № 8 С. 30-31.

7. Д. С. Ульянов и др. Перспективы развития использования брикетированных лигатур российского производства. Технология легких сплавов. - 2004. - № 6. - С. 21-24.

8. Зимон А.Д., Андрианов Е.И. Адгезия сыпучих материалов. М.: Металлургия, 1978. - С. 5-8.

9. Васенин В. И. Определение жаропрочности алюминиевых сплавов. Металлургия машиностроения. - №3. - 2004. - 38 с.

10. Арбузов Б.А., Аристова Н.А. и др. Цветное литье. Легкие сплавы. - М.: Машиностроение, 1966. - 10 с.

11. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов - М.: Металлур-

До^джено вплив введення в алюмтевий стШя,/125.улЬкрОдиёперсних частинок Kap6idy кремтя SiC. Встановлено, що використання в процеd плпоиужтУрШ1$1Со тМ2 2007 флюсу K2ZrF6призводить доутворення бшьш досконалоï структури i тдвищення механiчних властивостей.

The effect of adding superdispersed particles of silicium carbide (SiC) into AL25 aluminum alloy has been investigated. It was determined that use of SiC particles and K2ZrF6 flux during melting results in formation of more perfect structure and improvement of mechanical properties.

Как видно из приведенных рисунков, микроструктура матрицы четко выраженная ячеисто-ден-дритная с междендритными и межячеистыми пространствами, заполненными эвтектическими фазами. Кристаллы кремнистой фазы в эвтектических колониях заготовок 0, 1, 2 представляют собой крупные пластины примерно одной величины. Наличие крупных кристаллов первичного кремния в образцах 0, 1 и 2, способствующих снижению уровня механических свойств, свидетельствует об отсутствии модифицирования расплава [10].

Следует отметить, что в структуре образцов 3 и 4 произошло заметное измельчение как матричного а-твердого раствора, что подтверждается замерами дендритного параметра, так и эвтектического кремния по сравнению со структурой образцов 0, 1 и 2. Так, дендритный параметр (расстояние между дендритными осями второго порядка) в образце 3

составляет 6......8 мкм, в образце 4 - 4......8 мкм, в

то время как дендритный параметр в структуре образцов 0, 1, 2 - 10......14 мкм.

Измельчение дендритов а-твердого раствора обусловлено, очевидно, увеличением количества центров кристаллизации из-за введения в расплав частиц БЮ и модификатора с последующей

кристаллизацией а-твердого раствора, как ведущей фазы, в виде сильно разветвленных кристаллов с тончайшими осями, разделяющими жидкость на ряд микрообъемов, замкнутых в межосных пространствах дендритов [11].

Кристаллизация кремния в таких микрообъемах приводит к его резкому измельчению. Дополнительно, уменьшению дендритного параметра в микроструктуре образцов 3 и 4 могло способствовать сокращение температурного интервала кристаллизации матричного расплава вследствие частичного растворения в нем частиц БЮ.

Выводы

1. Введение в алюминиевый сплав АЛ25 только ультрадисперсных частиц карбида кремния БЮ однозначно не дает результатов.

2. Одновременное введение частиц карбида кремния БЮ и флюса фторцирконата калия К22гР6

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008

- 79 -