CC BY
72
УДК 621.777.2.01: 669.715
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГОРЯЧЕГО ИЗОСТАТИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ НА СВОЙСТВА СПЛАВА АЛ-25, ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННОГО ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Е.В. Чуйкова, инженер ГП «Завод им. В.А. Малышева»
Аннотация. В статье изложены результаты экспериментальных исследований полученных при проведении опытных работ по упрочнению жидкоштампованных отливок из сплава АЛ-25 методом горячего изостатического прессования. Показано, что обработка на газостате позволяет повысить физико-механические свойства материала, а именно: предел прочности на 19,5%, предел текучести на 17,2%, относительное удлинение на 29%. Определены оптимальные параметры обработки отливок из сплава АЛ-25 на газостате.
Введение
Современные широко применяемые методы получения алюминиевых отливок не всегда обеспечивают нужное качество материала деталей. Как показывает практика, одним из путей повышения эксплуатационной надежности работы цилиндро-поршневой группы форсированных многотопливных ДВС является применение высококремнистых алюминиевых сплавов в качестве материала поршней. Однако отливки из этого сплава, полученные литьем в кокиль, не могут быть использованы как заготовки тяжелонагруженных поршней, из-за низкого уровня механических свойств материала, а так же наличия дефектов литейного происхождения.
Использование прогрессивных методов формообразования заготовок, таких как литье с кристаллизацией под давлением (ЛКД), позволяет получать заготовки плотные по всему сечению, с улучшенной макро- и микроструктурой, обладающие хорошим комплексом служебных свойств. Однако, возможности ЛКД в настоящее время не реализуются в полной мере, что обусловлено весьма ограниченной информацией о влиянии давления при кристаллизации и других параметров процесса на получаемый комплекс физико-механических характеристик материалов.
Анализ публикаций
Анализ результатов теоретических разработок показывает, что для повышения эксплуатационной надежности тяжело нагруженных деталей, работающих в условиях высоких температур и интенсивного трения (поршни ДВС, подшипники трения) широко применяются литейные сложнолеги-рованные силумины. Одним из таких сплавов яв-
ляется поршневой сплав АЛ-25, содержащий 11... 13% Si [1, 2]. Применение жидкой штамповки в качестве формообразующей операции позволяет получать отливки плотные по всему сечению, а так же значительно повысить комплекс прочностных и пластических характеристик материала, по сравнению с отлитыми в кокиль.
Анализ условий работы поршней двигателей внутреннего сгорания показывает, что в процессе работы они воспринимают значительные динамические нагрузки, меняющиеся в течение одного цикла по знаку и направлению, причем, давление газов, действующих на поршень, может превышать 8 МПа [2].
Повышению уровня напряжений в отдельных зонах поршня способствуют концентраторы напряжений, которыми являются выступы, канавки и т.п. Поршни должны обеспечивать безаварийную работу двигателей в течении сотен часов; это означает, что за время службы поршня напряжения в нем могут меняться по знаку более чем 108 раз, что превышает число циклов, применяемое обычно за базу при проведении усталостных испытаний образцов. К особенностям условий работы поршней следует отнести высокую температуру продуктов сгорания топлива, с которыми соприкасается поршень. Газы, температура которых может достигать 2000°С, обуславливают разогрев днища поршня при определенных режимах работы до температуры 350-400°С.
Наиболее существенным недостатком алюмини-ево-кремниевых сплавов как материала поршней двигателей внутреннего сгорания является пониженный уровень прочностных и пластических свойств при температурах до 200°С. Это в значительной мере ограничивает их применение, так
как максимальные механические нагрузки в поршнях возникают в районе бобышек под поршневые кольца при относительно невысоких рабочих температурах (90-150°С). Поэтому, для поршней, испытывающих в процессе эксплуатации высокие упругие деформации, пластичность получаемого материала остается на недостаточном уровне.
За счет изменения содержания основных и вспомогательных легирующих элементов не удается оказать существенное влияние на прочностные свойства. В связи с этим значительную актуальность приобрела проблема разработки и внедрения более совершенной технологии изготовления заготовок поршней, применение которой позволит в значительной мере управлять уровнем конструктивной прочности поршней.
Методика и результаты исследований
С целью упрочнения и повышения пластичности, отливки поршней, полученные методом жидкой штамповки из сплава АЛ-25 (химический состав сплава АЛ-25 приведен в таблице 1), обрабатывали на газостате усилием 120 МН. Газостатирова-ние, проведенное при 460°С и выдержке 2 ч. показало, что относительное удлинение (5) повысилось с 0,85% до 1,0%, а предел прочности (Ов) - с 250 МПа до 295 МПа.
Представляет интерес оптимизация режимов обработки, обеспечивающих получение заготовок необходимого качества (с улучшенным комплексом прочностных и, особенно, пластических свойств) при минимальных энергозатратах.
Таблица 1
Химический состав сплава Ал-25
Элементы, вес. %
А1 Мп Si Си № Fe Мд
основа 0,42 11 1,9 0,86 0,72 0,09 0,84
Для опытных работ изготовлены методом штамповки в жидкой фазе сплава АЛ-25 образцы диаметром 50 мм и высотой 80 мм под стандартные образцы для механических испытаний на растяжение.
Штамповку расплава производили в специально спроектированной и изготовленной форме с использованием принципа поршневого прессования. Зазор между пуансоном и матрицей выдерживали 0,2-0,5 мм (по диаметру). В качестве смазочного материала использовали водный раствор коллоидно-графитового препарата В-1, который с помощью пульверизатора наносили перед каждой заливкой. Температура матрицы и пуансона поддерживалась в пределах 150...200°С. Сплав выплавляли в лабораторной печи сопротивления при 720...740°С, после чего рафинировали препа-
ратом Дегазер и производили заливку в матрицу мерными ковшами. Температура заливки составляла 710...720°С, время от начала отбора расплава из печи до окончания заливки в форму 15 с. Давление прессования - 150 Мпа - достигалось за 5.7 с, время выдержки под давлением регулировалось автоматически и составляло 40 с.
Газостатическая обработка отливок, полученных методом жидкой штамповки, производилась на установке, смонтированной в ВИАМе. Партию образцов помещали в рабочую камеру газостата, где, используя в качестве рабочей среды инертный газ (аргон), создали избыточное давление 100; 140; 180 и 200 МПа при температуре 460°С. Эта температура, по результатам экспериментальных данных, является оптимальной, с точки зрения обеспечения необходимой пластичности сплавов типа эвтектических силуминов [3]. Время выдержки под давлением варьировалось от 1 ч. до 3,5 ч. в каждом отдельном случае.
Для проведения сравнительных испытаний механических свойств отливок из сплава АЛ-25 была отлита в форму (являющуюся в данном случае кокилем) опытная партия заготовок без подпрессов-ки. Технология подготовки расплава и температура его заливки при литье в кокиль были аналогичны параметрам жидкой штамповки. Время затвердевания отливок при литье в кокиль 1,5.2 мин. Полученные по указанным технологиям цилиндрические образцы из сплава АЛ-25 термооб-рабатывали по режиму: закалка в горячую воду после выдержки 3-х часов при 495°С, старение 6 ч. при 195°С, охлаждение на воздухе.
Для выяснения влияния режимов горячей изоста-тической обработки на механические свойства материала отливок испытывали шесть образцов в исходном состоянии и по три образца на каждый режим горячей объемной обработки. При механических испытаниях на растяжение определяли предел текучести 00,2, временный предел прочности ов, относительное удлинение 5 и твердость НВ. Результаты механических испытаний образцов свидетельствуют о существенном влиянии горячей объемной обработки. Даже относительно кратковременная (60 мин) выдержка под давлением 140 МПа при 460°С обеспечивает значительное повышение механических свойств материала образцов (рис. 1).
Как показывают результаты экспериментальных данных, горячее изостатическое прессование позволяет повысить прочностные и пластические свойства жидкоштампованного силумина АЛ-25 до определенного уровня (точки 1 и 2 на рис. 1), при каждом конкретном значении создаваемого в газостате избыточного давления. Для исследуемого сплава указанное улучшение комплекса свойств наблюдалось до выдержки 3 ч. (180 мин), после чего кривая зависимости относительного
удлинения принимала стабильный характер, а значения предела прочности даже несколько понижались. Естественно предположить, что выдержка под давлением в течение 3 ч. для повышения свойств сплава АЛ-25 является оптимальной.
350
ззо
31D
250
270
250
1
2
1Д
1,2 10 0,8 0,6 0 а
60
90
120
150
180
Рис. 1. Зависимость механических свойств сплава АЛ-25 после обработки при давлении 140 МПа и температуре 460°С от времени выдержки под давлением
На рис. 2 приведена зависимость механических свойств материала после обработки в течение 3 ч. при температуре 460°С от величины избыточного давления в камере газостата.
1А
350
330
д
С
S ^10
в
н
1 290
о
Ь1 270
Рн
С 250
ifl оз 0,6 о а
60
90
120
150
180
Рис. 2. Зависимость механических свойств сплава АЛ-25 после обработки в течение 3 ч. при температуре 460°С от величины прикладываемого давления
Результаты исследований свидетельствуют о сложном влиянии режимов обработки на механические свойства эвтектического силумина. Проведенные исследования позволили выбрать целесообразные технологические режимы горячей изо-статической обработки жидкоштампованных отливок из сплава АЛ-25, для получения заготовок со значительно улучшенными свойствами материала. Сравнительный анализ механических свойств заготовок из сплава АЛ-25, в зависимости от технологии их получения представлены в табл. 2 (1 - литье в кокиль; 2 - жидкая штамповка
(Р = 150 МПа); 3 - жидкая штамповка (Р = 150 МПа) с последующей ГСО (Т = 460°С, Р = 180 МПа, т = 3 ч.)).
Таблица 2
Механические свойства материала отливок из сплава АЛ-25, полученных по различным технологиям
№ п/п Технология получения отливок Свойства
Ов, МПа 00,2, МПа 5, % НВ
1 Литье в кокиль 220 220 0,5 107
2 Жидкая штамповка (Р = 150 МПа) 250 240 0,85 120
3 Жидкая штамповка (Р = 150 МПа) с последующей ГСО (Т = 460°С, Р = 180 МПа, т = 3 ч.) 310 290 1,2 121
Выводы:
1. Горячая изостатическая обработка отливок, полученных методом жидкой штамповки позволяет существенно повысить комплекс механических свойств материала (предел прочности на 19,5%, предел текучести на 17,2%, относительное удлинение на 29%, твердость - без изменения).
2. Оптимальными параметрами упрочняющего изостатического прессования для сплава АЛ-25 являются следующие: давление Р = 150 МПа; температура Т = 460°С, выдержка т = 3 ч.
Литература:
1. Кашевник Л.Я., Белоусов Н.Н., Елизарова О.В.
Применение алюминиевых сплавов для поршней двигателей внутреннего сгорания // Аналитический обзор за 1951-1983 гг. № 3625. ЦНИИИНФОРМАЦИИ. М., 1984.
2. Дзыбал Л.Т., Леховицер М.А. и др. Внедрение
жидкоштампованных поршней из сплава АЛ-25 для дизелей 64 12/14 и 64Р 12/14 //Двигателестроение. 1985. №6, с. 43.
3. Шляхин А.П., Кулаков Ю.А. Залечивание по-
ристости отливок горячим изостатическим прессованием // Кузнечно-прессовое производство, 1987, №2, с.8.
Рецензент: А.С. Полянский, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию
