CC BY
27См
УДК 669.715.(043.3)2
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ слитков,
ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЗАГОТОВОК И ПВРШВЕЙ ИЗ ЗАЗВТЕКТИЧЕСКВГВ ЖАРОПРОЧНОГО СИНУМИНА И ИХ СВВЙСТВА
В.К. АФАНАСЬЕВ, доктор техн. наук, профессор, А. Н. ПРУДНИКОВ, канд. техн. наук, доцент (СибГИУ, г .Новокузнецк) А. В.Горшенин, ведущий инженер ОАО «ПАТП-4» (г. Новокузнецк)
Статья поступила 13 апреля 2010
654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Сибирский государственный индустриальный университет, [email protected]
Статья посвящена разработке состава, технологии литья и модифицирования структуры слитков полунепрерывного литья из заэвтектического жаропрочного силумина, а также технологии получения поршней для тяжелонагруженных двигателей в промышленных условиях и изучению их свойств.
Ключевые слова: силумин, микроструктура, жаропрочность, поршень, свойства, модифицирование
Article is devoted to development of structure, technology of moulding and modifying of structure of ingots continuous moulding from hypereutectic heat resisting силумина, and also technologies of reception of pistons for gravity loading engines in industrial conditions and to studying of their properties.
Key words: silumin, microstructure, thermal stability, the piston, properties, modifying
Одной из самых ответственных и напряженных деталей двигателя внутреннего сгорания является поршень. Анализ условий работы поршней современных тяжелонагруженных двигателей показывает, что в процессе работы они выдерживают значительные механические нагрузки от сил давления газов и сил инерции, а также тепловые нагрузки от соприкосновения днища с горячими газами и трения его боковой поверхности о стенки цилиндра. Специфические условия работы поршня двигателя предъявляют разнообразные жесткие требования к материалам, из которых изготавливают поршни. Важнейшие из них [1]: высокая статическая и динамическая прочность, в том числе при рабочих температурах поршня; высокая усталостная прочность; достаточная твердость при нормальной и повышенной температурах; низкий коэффициент линейного расширения; высокая теплопроводность; низкий удельный вес; хорошие антифрикционные свойства и высокая износостойкость; высокая коррозионная стойкость; удовлетворительные технологические свойства.
Наиболее широкое распространение среди поршневых материалов нашли легированные сплавы системы Al-Si благодаря своему комплексу физико-механических свойств. Из них наиболее перспективны заэвтектические легированные силумины с учетом их малого удельного веса, более низкого температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) и большей износостойкости. Однако наличие в структуре заэвтектических силуминов кристаллов первичного кремния (КПК) снижает прочностные, пластические и технологические свойства сплавов, что не позволяет
даже с учетом применения операции модифицирования в настоящее время иметь промышленные технологии получения поршней двигателей внутреннего сгорания из этих сплавов с использованием обработки давлением. Поэтому целью работы явились разработка состава и технологии изготовления поршней обработкой давлением из высококремнистого легированного силумина для тяжелонагруженных двигателей и исследование структуры и свойств заготовок и поршней.
С учетом ранее проведенных исследований по влиянию легирующих элементов на структуру и свойства за-эвтектических силуминов [2] и разработки состава сплава для поршней тяжелонагруженных двигателей [3], учитывающего повышенные температуры в области днища, был выбран состав, отвечающий максимальному значению жаропрочности. В состав входили следующие элементы, в % (вес.): 81-18,0; Си-4,0; Мя-0,6; Се-0,1; N-0,05; о стальное-алюминий.
После совместного низкотемпературного наводоро-живания с использованием водяного пара и модифицирования фосфористой медью МФ-1 в количестве 0,16 % от массы расплава содержание водорода (0,00015 %) и фосфора (0,012 %) соответствовало регламентированным значениям.
Изготовление партии слитков из опытного сплава проводили в центральной заводской лаборатории ОАО «СМК» (г. Ступино). Расплав готовили в электрической печи сопротивления емкостью 100 кг и миксере с карбидокремниевыми нагревателями емкостью 150 кг таким образом, чтобы не прерывать процесс отливки слитка. В качестве шихты использовали технически чистые металлы и лигатуры: алюминий А7, силумин Сил0,
б
Рис.1. Изломы слитка из опытного сплава по поперечному сечению, *0,8 (а) и его промежуточной части, х700 (б)
медь М1, магний Мг1, кремний Кр0. Расплав не подвергали рафинированию, а процесс модифицирования проводили одновременно как в печи, так и в миксере. Для ускорения процесса растворения фосфористую медь дробили до фракции 1...3 мм и вводили в виде навесок, завернутых в алюминиевую фольгу, в расплав. Сразу после введения навески проводили наводорожи-вание расплава за счет продувки его водяным паром через алундовую трубку с пористым наконечником в течение 25 мин, времени, необходимого для полного растворения фосфористой меди. Температура обработки расплава находились в интервале 730.780 °С.
Отливку слитков проводили полунепрерывным способом на машине ПН-2 с дуралюминиевым кристаллизатором скольжения. Температура литья составляла 730...750°С, а скорость 77 мм/мин. Слитки имели следующие размеры: диаметр 165 мм, длина 800.1000 мм и вес 50.60 кг.
Для исследования микроструктуры вырезали тем-плеты на высоте 50.100 мм от дна слитков, а для фрак-тографического анализа изготавливали из них изломы в поперечном сечении слитка с использованием прессового оборудования. Для проведения фрактографического
и металлографического анализов использовали микроскопы МБС-9, «Лабомет-И1» и растровый электронный анализатор металлов РЭММА-202А.
Изломы слитка полунепрерывного литья из опытного сплава по всему поперечному сечению и при увеличении х700 приведены на рис. 1.
Видно, что по сечению слитка можно выделить три зоны, кристаллизовавшиеся при различной интенсивности охлаждения: периферийную, промежуточную и центральную. Эти зоны отличаются количеством, размерами и распределением кристаллов первичного кремния и дендритов а-твердого раствора, а также морфологией и степенью модифицирования эвтектики. Наличие или отсутствие той или иной зоны, а также ее объем зависят от способа приготовления сплава и технологических факторов. Периферийная зона занимает наименьший объем слитка, в то время как основной зоной при таком способе литья является промежуточная. Анализ изломов промежуточной и центральной зон слитка показал, что их можно отнести к промежуточному вязкохрупкому типу, о чем говорит наличие фасеток скола по кристаллам первичного кремния и участков ямочного излома в местах скопления эвтектической составляющей (рис. 1, б).
В связи с тем что периферийная зона имеет протяженность около 5 мм от поверхности слитка и соответственно малый объем (~5 % всего объема слитка) и практически удаляется при подготовке слитка к деформации, то она не участвует в формировании структуры деформированной заготовки. Поэтому на рис. 2 приведены микроструктуры промежуточной и центральной зон слитка, а в табл. 1 характеристики микроструктуры этих зон слитка из опытного поршневого силумина.
Металлографический анализ показал, что в центральной части слитка структура несколько грубее, чем в промежуточной, что, по-видимому, связано с меньшей скоростью кристаллизации центральных слоев металла, так как отвод тепла при кристаллизации жидкого металла в центральной части лунки осуществляется в основном через боковую поверхность уже затвердевших слоев металла у кристаллизатора. Так, несколько увеличиваются размеры КПК в центральной части слитка и появляются участки слабомодифицированной эвтектики.
По результатам рентгенофазового анализа, проведенного с использованием дифрактометра - ДРОН - 2,0 на основе расчета межплоскостных расстояний и соотношения относительных интенсивностей фаз, можно сделать
Рис. 2. Микроструктура промежуточной (а) и центральной (б) зон слитка из опытного поршневого сплава, х200
а
а
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Т а б л и ц а 1
Характеристики микроструктуры зон слитка полунепрерывного литья из опытного поршневого сплава
Зона слитка Характеристики структуры Средний объем зоны, %
Средний размер КПК, d мкм Вид эвтектики Форма выделений a-твердого раствора
Промежуточная 50.70 Модифицированная Дендриты и участки 60
Центральная 80.90 Модифицированная, местами слабо- модифицированная То же 35
вывод о присутствии, наряду с основными фазами a-Al и Si, некоторого количества медьсодержащей фазы CuAl2.
Были определены механические характеристики слитка из опытного сплава в соответствии с ГОСТ 1497-84, которые составили: временное сопротивление разрыву ав = 210 МПа, относительное удлинение § = 1,2 %.
Технологический процесс изготовления поршневых заготовок в условиях ОАО «СМК» включал предварительную осадку слитков, горячее прессование на пруток 0 100 мм, резку на мерные заготовки, штамповку опытных деталей в соответствии с принятой на предприятии технологией.
Для подготовки слитка к осадке обрезали донную (80... 100 мм) и головную (100... 140 мм) части. Для осадки слитков использовали вертикальный гидравлический пресс усилием 90 МН. Температура нагрева заготовок под осадку составляла 480.. .500°С, температура нагрева бойков пресса от 300 до 350°С. Время выдержки заготовок в печи в соответствии с их диаметром и условием полного прогрева, необходимого для гомогенизации структуры, составляло 4 ч. Нагрев и выдержку проводили в печах с принудительной циркуляцией атмосферы. Для деформации с высокой степенью обжатия (более 50 %) заготовки осаживали за 3-4 цикла в зависимости от ее длины со скоростью 0,5 м/мин. Относительное обжатие за цикл составляло 10.35 %. При этом после каждого обжатия проводили в течение 1 ч прогрев заготовок при температуре осадки. Степень деформации в первом цикле не превышала 15 %. Динамика процесса для трех типоразмеров заготовок диаметром 165 мм приведена в табл. 2. Диаметр заготовок по бочке после осадки составлял 270.280 мм. После осадки заготовки были пропрессованы на пруток диаметром 100 мм. При этом коэффициент вытяжки был равен 9 (степень деформации более 90 %) при скорости прессования 0,1 м/мин.
Прессование заготовок проводили на гидравлическом горизонтальном прессе усилием 70 МН с контейнером диаметром 300 мм. С целью уменьшения влияния поверхностных дефектов заготовки на качество деформированного прутка прессование проводили прямым способом, схема течения металла при котором обеспечивает выход поверхностных слоев заготовки в пресс-остаток. Перед выдавливанием заготовки нагревали в электрических печах сопротивления до температуры 400.450 °С. Время нахождения заготовок в печи, необходимое для прогрева, составляло 4 ч. Температуру контейнера пресса устанавливали в пределах 300.350 °С. Для получения качественной поверхности прутка прессование проводили без смазки контейнера, чтобы исключить образование «рубашки», которая приваривается к внутренней поверхности контейнера. При прессовании жестко регламентируется величина пресс-остатка, чтобы исключить зарождение центральной (осевой) пресс-утяжины при вытяжке прутков и устранить переход дефектов слитка в пресс-изделие. Для применяемого контейнера диаметром 300 мм пресс-остаток должен составлять 45.50 мм. Чтобы исключить попадание в изделие малопроработанного металла и остаточных дефектов от пресс-утяжины, передний и задний конец прутка обрезали (100.150 мм). Вырезку темплетов для проведения металлографического анализа и резку прутков на мерные заготовки проводили на дисковой пиле с электроприводом. Размер заготовок под штамповку составлял: диаметр 100 мм, высота 250 мм.
Для получения поршневых заготовок из опытных алюминиево-кремниевых заэвтектических сплавов использовали гидравлический пресс вертикального типа усилием 90 МН. Штамповку заготовок проводили при температуре 400.450 °С по схеме, применяемой для изготовления поршней из сплава АК12Д с одновре-
Т а б л и ц а 2
Степень относительного сжатия и размер* заготовок по циклам при осадке слитков диаметром 165 мм из опытного поршневого сплава
Параметр заготовки по циклам
1 2 3 4
£, % h d £, % h d £, % h d Е, h d
мм мм мм % мм
Высота исходной заготовки 500 мм
12 440 173 16 370 185 18 300 207 33 200 279
Высота исходной заготовки 450 мм
11 400 176 15 340 192 18 250 215 29 200 275
Высота исходной заготовки 350 мм
14 300 183 23 230 231 35 150 270 - - -
* Высота h и диаметр d
а б
Рис. 3 Микроструктура х200 (а) и общий вид поршня для тяжело нагруженных ДВС (б) из опытного сплава
менной подпрессовкой (после подпрессовки высота заготовок равнялась 170 мм). Для облегчения процесса деформирования штамп подогревали до температуры 300.380 °С.
Партия опытных поршневых заготовок ДРЦ-23 была подвергнута упрочняющей термической обработке по следующему режиму: ступенчатый нагрев под закалку 470 °С 2 ч и 490 °С 1 ч с охлаждением в холодную воду и искусственное старение при 150 °С в течение 10 ч.
Микроструктура и общий вид опытного поршня после термической и механической обработок приведены на рис. 3. Видно, что наряду с дисперсным глобулиро-ванным эвтектическим кремнием в структуре присутствуют кристаллы первичного кремния, расположенные в виде строчек, ориентированных вдоль направления течения металла при деформации (штамповка, прессование). Средний размер кристаллов первичного кремния несколько меньше (до 50 мкм), чем в прессованном прутке.
Механические и физические свойства поршней определяли по стандартным методикам на образцах, вырезанных непосредственно из опытных деталей. Было установлено, что физические и механические характеристики удовлетворяют требования ТУ - 1 - 801 - 351 - 84 на данное изделие и составляют:
а , МПа
в'
^ МПа 8, %
Cfioo, МПа
.106 К-1
20-300°С '
р, кг/м3 А, Вт/(м-°С)
а
320.338 276.304 0,8.2,2 28.30 17,3.17,9 2670 41
Длительная прочность Сщ) (при 300 °С за 100 ч) опытных поршней превышает не только значение аналогичной характеристики для промышленных деформируемых сплавов [3], но и для ранее разработанного высококремнистого алюминиевого сплава [4]. Температурный коэффициент линейного расширения разработанного поршневого сплава значительно ниже, чем у серийного
сплава АК12Д, имеющего а
= 20,6-Ю-6 К-1, наибо-
лее широко используемого в настоящее время для тяжело нагруженных двигателей, что является перспективным для улучшения технико-экономических показателей двигателя за счет снижения величины зазора в сопряжении поршень-гильза.
После механической обработки поршневых заготовок на ОАО «Челябинский тракторный завод» (ЧТЗ) были проведены успешные объектовые испытания опытных поршней на серийном двенадцатицилиндровом двигателе В-84-1 в форсированном режиме.
Выводы. Предложен состав поршневого заэвтек-тического силумина с повышенной жаропрочностью, технология модифицирования и отливки слитков полунепрерывным способом, а также скорректированы технологические параметры прессования, штамповки и режим упрочняющей термической обработки поршневых заготовок. Показано, что после термической обработки физико-механические характеристики опытных поршней удовлетворяют требованиям ТУ на данное изделие, а длительная прочность при 300 °С за 100 ч превосходит таковую для аналогичных деформируемых сплавов и уступает только лучшим литейным сплавам типа АК21М2,5Н2,5. В условиях ЧТЗ проведены успешные объектные испытания на серийном двигателе в форсированном режиме.
Список литературы
1. Зильберг Ю.Я. Алюминиевые сплавы в тракторостроении / Ю.Я. Зильберг, К.М. Хрущова, Г.Б. Герш-ман. - М.: Металлургия, 1971. -152 с.
2. Афанасьев В.К. Разработка состава поршневого эвтектического силумина / В.К. Афанасьев, А.Н. Прудников // Изв. вузов. Черная металлургия. -1998. - № 4. -С. 35-37.
3. Строганов Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием / Г.Б. Строганов, В.А. Ротенберг, Г.Б. Гершман. - М.: Металлургия, 1977. - 271 с.
4. Прудников А.Н. Технология производства, структура и свойства поршней двигателей из заэвтектического деформируемого силумина/А.Н. Прудников // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2009. - № 5. - С. 45-48.
