Скачать

Исследование применения сплавов системы Al-Mg-Si для производства поршней гоночных автомобилей

Приоритетные свойства материалов для поршней двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей можно классифицировать следующим образом: низкий коэффициент линейного расширения, высокая прочность и жаропрочность, износостойкость и, соответственно, высокая технологичность и эффективность при производстве.

Очевидно, что особые эксплуатационные условия для двигателя современной гоночной машины предопределяют иной список приоритетов для поршневых материалов.

Целью данной исследовательской работы является разработка поршневого материала, имеющего особый комплекс свойств: низкая плотность, высокая жаропрочность и термостабильность, высокая теплопроводность и т.д.

Основными материалами, используемыми в двигателях Формулы-1, являются алюминиевые магниевые, титановые и стальные сплавы, хотя в отдельных случаях могут применяться и другие, например, керамика и углеволокно.

Алюминий - наиболее распространенный материал благодаря его жесткости. Поэтому из него делают главные элементы двигателя, например, головки цилиндров, блок цилиндров, поршни. Многие из этих компонентов производятся из специальных алюминиевых сплавов, например Metal Matrix Composite (MMC), который только начал появляться в Формуле-1. Дополнительным плюсом в использовании алюминия является его высокая теплопроводность. В результате этого тепло, создаваемое внутри двигателя, быстро отводится наружу и эффективно рассеивается.

Магний легче алюминия, но его жесткость ниже, так что он используется в таких частях как оболочки кулачков. Шатуны сделаны из титана. Хотя эти материалы тяжелее алюминия, но гораздо жестче. Из стали (в состав которой входят различные количества никеля и хрома) делают коленчатый вал, поскольку на этот узел воздействует огромная энергия, а значит, требуется высокий уровень прочности. Углеволокно (карбоновое волокно), широко применяемое при изготовлении шасси, в производстве двигателя почти не участвует. Но его все же можно увидеть например в качестве оболочки пружин. Низкий вес и изоляционные свойства керамики представляют широкий интерес для применения, однако недостаточная прочность пока ограничивают ее использование в двигателях Формулы-1. Некоторые производители применяют ее как покрытие впускных клапанов, чтобы предотвратить теплопередачу от выхлопных газов к головкам цилиндра. В некоторых командах из керамики сделаны выхлопные трубы. Сама система выхлопа сделана из инконеля, специального сплава никеля, цинка и хрома, который применяется в авиационных двигателях. Это очень тонкий и легкий металл, но выдерживающий высокие температуры, порядка 800-900 градусов. Он с легкостью выдерживает режимы быстрого нагрева и охлаждения, свойственные работе системы выхлопа болида Формулы-1.

В форсированных моторах применение кованых поршней если уж не обязательно, то во всяком случае желательно. Но прежде чем говорить об их преимуществах, внесем ясность в терминологию. Точное название процесса не ковка, а изотермическая штамповка, поскольку заготовку поршня получают из прутка выдавливанием без плавления – единственным ходом пресса при постоянной температуре 495±5°С.

Фотографии поршней гоночных болидов Formula–1 фирмы Mahle

По сравнению с литыми штампованные поршни легче и одновременно прочнее, их форма оптимальна для форсированных двигателей, склонность к прогоранию меньше. В подтверждение обратимся к цифрам. Твердость кованых поршней 120–130 ед. по Бриннелю против 80–90 ед. у обычных. Термоциклическая стойкость выше в 5–6 раз. Если литые до появления первых трещин выдерживают в среднем 400 испытательных циклов «нагрев–охлаждение», то штампованные – 2500.

В качестве предмета исследования в данной работе были выбраны сплавы на основе Al – Mg – Si, полученные методом высокоскоростной кристаллизации (распыление из перфорированного стакана) в виде гранул.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ ДИПЛОМА

2.1 Сплавы системы Al — Si — Mg

Наиболее типичным сплавом силумин системы Al—Si—Mg, на­шедшим широкое применение, является сплав АЛ9 (6—8% Si, 0,25— 0,4% Mg, остальное Al). Сплав АЛ9 применяется как в закаленном (Т4), так и в частично состаренном состоянии (Т5).

Сплав АЛ9 разработан в середине тридцатых годов. В основном он предназначен для литья тонкостенных и сложных по конфигурации деталей, несущих средние по величине нагрузки (детали карбюраторов, корпуса помп и различной аппаратуры).

К преимуществам сплава АЛ9 следует отнести:

а) хорошие литейные свойства (высокая жидкотекучесть, мини­мальная линейная усадка), близкие к свойствам сплава АЛ2, чтопозволяет получать тонкостенные отливки сложной конфигурации;

б) малую склонность к образованию горячих трещин;

в) сравнительно высокую прочность и удовлетворительную пла­стичность;

г) по сравнению со сплавом АЛ4 менее сложную технологию литья деталей: не требуется применение автоклава для кристаллизации под давлением; модифицирование обычно производится тройным стандарт­ным модификатором, что экономичнее.

К недостаткам сплава АЛ9 относятся:

а) пониженная обрабатываемость резанием;

б) хотя с увеличением содержания магния прочность сплава повы­шается и обрабатываемость резанием улучшается, но пластичность сплава при этом понижается;

в) пониженная коррозионная стойкость к азотной кислоте;

г) пониженная жаропрочность, которую можно повысить, уве­личивая содержание кремния и магния, а также дополнительно легируя сплав медью.

Основная упрочняющая фаза тройных сплавов — фаза Mg₂Si, принадлежащая к дальтонидному типу с определенными химическим составом, свойствами и нормальной валентностью. Эта фаза имеет кубическую элементарную ячейку и не образует твердых растворов со своими компонентами, что характерно для ионных соединений в отличие от фаз бертоллидного типа (например, фазы Al₃Mg._:).

Методом рентгеноструктурного анализа и металлографическими исследованиями процесса старения сплавов алюминия с кремнием

и магнием установлено, что процесс распада твердого раствора магния и кремния в алюминии осуществляется по следующей схеме:

1. Появляются ЗГП в кристаллической решетке твердого рас­твора, т. е. происходит перегруппировка в направлении сближения атомов кремния и магния для образования метастабильной фазы Mg₂Si. Эти процессы идут медленно при комнатной температуре и интенсивно при повышенной. Такая перегруппировка атомов сопро­вождается сильным искажением кристаллической решетки, что яв­ляется причиной упрочнения сплавов типа силумин при комнатной температуре и начального снижения жаропрочности при температу­рах старения (160—170 С и выше).

2. Образуются одномерные и двумерные зародыши метастабиль­ной фазы Р' (Mg₂Si), которая имеет гексагональную решетку. Счи­тается, что формирование фазы Mg.₂Si — основная причина упрочне­ния сплавов системы Al—Si—Mg, но с появлением стабильной фазы Mg,Si заметно снижается жаропрочность тройных сплавов. Это осо­бенно проявляется при 170—180° С в течение 25-ч выдержки.

3. Образуется стабильная фаза Mg.₂Si в закаленных сплавах типа силумин при 185—220° С в течение нескольких часов, а при 300^о С — в течение 30 минстарения с резким снижением прочности сплава.

Применяя старение в интервале температур 180—225°С с малым временем выдержки, можно обеспечить сплаву АЛ9 высокую проч­ность и пониженную пластичность.

Жаропрочность этих сплавов можно значительно повысить двумя путями: упрочнить твердый раствор комплексным легированием и границы зерен устойчивыми фазами, кристаллизующимися в развет­вленной форме; свободный (элементарный) кремний связать в устой­чивые соединения (Al₈Si₈Mg₃Fe, Al₄Si₂Fe, Al₅SiFe и др.). При этом кремний не следует связывать в такие соединения, в которых второй компонент имеет повышенный коэффициент диффузии. Таким при­мером может служить фаза Mg₂Si, которая является упрочняющей фазой; она содержится в структуре большинства сплавов типа силу­мин (АЛ4, АЛ9 и др.).

Фаза Ai₂Si формируется через ряд фазовых превращений, сильно искажающих кристаллическую решетку матрицы, что обусловливает значительное упрочнение сплавов при комнатной температуре. Это достигается применением соответствующей термической обработки (закалки и старения). В тройных сплавах си­стемы А1—Si—Mg были впервые обнаружены в алюминиевой матрице зоны, характеризующие стадии предвыделения. Авторы работ, поль­зуясь в своих исследованиях методом рентгеноструктурного анализа, в сплавах, состаренных при комнатной температуре, не могли обна­ружить структуру зон, хотя механические свойства тронных сплавов повышались. Лишь только при температуре 150^оС зоны скопления магния и кремния в матрице располагаются локально. С помощью вакансий (образовавшихся в процессе закалки) растворенные атомы вначале собираются в цепочки без какого-либо порядка, затем атомы легирующих элементов постепенно располагаются в определенном

Таблица 2.1

Изменение механических свойств сплава АЛ9 в зависимости от содержания кремния .и температуры испытаний (гагаринские образцы, вырезанные из кокильных заготовок)