БЫСТРОЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕЙ
QUICK-CRYSTALLISED ALLOY BASED ON ALUMINIUM FOR MANUFACTURING OF PISTONS

Изобретение относится к области металлургии сплавов, в частности к быстрозакристаллизованным деформируемым термически упрочняемым сплавам на основе системы Al-Si, и может быть использовано для производства поршней двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей, которые по сравнению с поршнями, изготовленными деформацией из слитка или отливкой в форму, обладают более высоким комплексом физико-механических, эксплуатационных и экологических характеристик. Кроме того, данный сплав может использоваться для изготовления других деталей, от которых требуется высокая износостокость, жаропрочность, низкий коэффициент термического расширения, размерная стабильность и т.п.
Известен жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия АК4-1, применяемый также для изготовления деталей поршневых двигателей, содержащий, вес.%: медь 1,9-2,7; магний 1,2-1,8; марганец 0,2; железо 0,8-1,4; кремний 0,35; титан 0,02-0,1; никель 0,8-1,4; цинк 0,3; хром 0,1; алюминий остальное (ГОСТ 4784-97 "Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки").
-6
Недостатком этого сплава является относительно низкая износостойкость, а также высокий коэффициент линейного расширения (λ=22×10 1/град при Тисп. 20°C). Это снижает ресурс работы поршней, требует применения больших зазоров между поршнем и цилиндром, что приводит к увеличению эмиссии выхлопных газов, снижению мощности, увеличению шума двигателя.
Известен литейный сплав на основе алюминия АК18, предназначенный для отливки поршней в различные формы, а также для литья под давлением, содержащий, вес.%: медь 0,8-1,5; магний 0,8-1,3; марганец 0,2; железо 0,5; кремний 17,0-19,0; титан 0,2; никель 0,8-1,3; цинк 0,2; олово 0,001; свинец 0,005 (ГОСТ 30620-98 «Сплавы алюминиевые для производства поршней») - прототип.
-6
Данный сплав обладает относительно низким коэффициентом линейного расширения (λ=19,5×10 1/град при Тисп. 20°C).
Недостатком сплава АК18 является то, что после отливки поршней в различные формы, а также после литья под давлением в структуре сплава присутствуют кристаллы кремния крупных размеров (в зависимости от условий литья от 100 до 400 мкм), располагающиеся неравномерно, иногда строчечно, что ослабляет сплав и может вызвать образование трещин. Хотя частицы первичного кремния обеспечивают относительно высокую износостойкость за счет того, что они создают сопротивление воздействию контртела, в процессе эксплуатации поршней может происходить их выкрашивание.
Еще одним недостатком сплава АК18 является относительно мягкая матрица, в результате чего под воздействием контртела происходит вдавливание частиц кремния в матрицу, что снижает износостойкость сплава.
в
Уровень прочности сплава АК18 относительно низкий как при комнатной температуре (σ=250-270 МПа), так и при повышенной. Кроме того, сплав имеет низкие пластические свойства (относительное удлинение 0,6-0,8%), что иногда вызывает разрушение поршня в процессе эксплуатации в месте канавки первого компрессионного кольца, а также в отверстиях под пальцы поршня.
Задачей изобретения является повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик сплава, предназначенного для изготовления поршней.
Это достигается изменением химического состава и структуры сплава за счет дополнительного легирования и быстрой скорости охлаждения при кристаллизации.
Технической задачей изобретения является разработка деформируемого сплава на основе системы Al-Si для производства поршней двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей с повышенным уровнем физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение материала из алюминиевого сплава на основе системы Al-Si, обеспечивающего увеличение мощности, снижение шума, уменьшение эмиссии выхлопных газов при использовании поршней двигателей, изготовленных из этого материала.
Указанный технический результат достигается тем, что предложен деформируемый сплав на основе алюминия, получаемый методом быстрой кристаллизации, за счет чего удается ввести повышенное количество малорастворимых в равновесных условиях циркония, титана, диспергировать избыточные фазы, образованные никелем и железом, измельчить первичные кристаллы кремния либо изменить фазовый состав сплава, обеспечив формирование эвтектической структуры.
В предлагаемый сплав, содержащий кремний, медь, магний, никель, марганец, железо, титан, дополнительно вводят цирконий, оксид алюминия и церий при следующем соотношении компонентов в мас.%: кремний 16,0-19,5; медь 3,0-5,0; магний 0,7-1,2; марганец 0,3-0,7; железо 0,9-1,5; титан 0,2-0,5; цирконий 0,15-0,4; оксид алюминия 0,01-0,3; церий 0,001-0,005; никель до 1,3.
Цирконий в количестве 0,15-0,4% вводят в сплав для повышения прочностных свойств сплава при комнатной и повышенной температурах, упрочнения (повышения твердости) матрицы и, как следствие, повышения износостойкости.
Оксид алюминия в количестве 0,01-0,3% вводят в сплав технологически, в виде поверхностной оксидной пленки гранул. Частицы оксида алюминия не взаимодействуют с матрицей сплава, сохраняют стабильность формы и размеров в процессе эксплуатации, что способствует повышению жаропрочности.
Церий в количестве 0,001-0,005 вводят как поверхностно-активный компонент, который способствует защите поверхности гранул от окисления.
Высокая скорость охлаждения при кристаллизации способствует измельчению частиц кремния до размера не более 20 мкм, измельчает фазы, образованные железом с алюминием, марганцем или никелем, что повышает жаропрочность сплава.
3
3
Титан и цирконий в указанных количествах растворяются в алюминии. При последующих технологических нагревах сплава происходит распад твердого раствора и упрочнение сплава по механизму дисперсионного твердения за счет выделения фаз AlZr и AlTi.
2
2
Марганец упрочняет твердый раствор, а медь и магний упрочняют сплав в результате термообработки (закалки и старения), в результате образования дисперсных фаз CuAl и MgSi.
Таким образом, в сплаве удается сформировать структуру, которая обеспечивает высокую износостойкость: дисперсные частицы первичного кремния размером до 20 мкм, равномерно распределенные по объему матрицы, упрочненной цирконием, титаном, марганцем, магнием и медью. Избыточные фазы, образованные железом или железом и никелем, дисперсные частицы оксида алюминия также способствуют повышению износостойкости и жаропрочности сплава.
Заявленные пределы легирования сплава легирующими компонентами обеспечивают возможность получения оптимальной дисперсности фаз.
Введение церия, препятствуя окислению поверхности гранул, способствует лучшему схватыванию гранул между собой и, соответственно, улучшению качества поршней, исключает образование таких дефектов, как расслоения, рыхлоты и т.п.
Примеры опробования и испытания сплавов, соответствующих по составу предлагаемому изобретению.
В таблице 1 представлен химический состав опробованных вариантов предложенного сплава.
Таблица 1.
Химический состав известного и вариантов предлагаемого сплава.
Сплав
№ сплава
Содержание компонентов, масс.%
Si
Cu
Mg
Mn
Fe
Ti
Zr
Ni
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Ce
Al
Прототип
АК18
18,2
1,2
1,1
0,15
0,35
0,12
-
1,1
-
-
осн
Предложенные варианты сплава
1
16,2
4,0
0,9
0,5
1,1
0,35
0,39
1,1
0,27
0,004
осн
2
18,3
3,8
0,8
0,4
1,3
0,25
0,15
0,7
0,02
0,002
осн
3
19,1
3,2
1,1
0,6
1,4
0,43
0,24
0
0,1
0,003
осн
3
4
Сплав получали на установке центробежного литья с охлаждением капель расплава в воде, при этом скорость охлаждения была 10-10 К/с. Изготовление заготовок для последующего производства поршней осуществляли по схеме: сушка гранул при температуре 250°C; рассев гранул на фракцию -1,6+0,4 мм; засыпка гранул в технологические алюминиевые капсулы; вакуумная ступенчатая дегазация при температуре верхней ступени 450°C, герметизация капсулы и подача ее в контейнер диаметром 310 мм гидравлического пресса усилием 5000 тс, температура контейнера 400°C; компактирование при максимальном усилии пресса в течение 3 минут; механическая обработка компактированной заготовки для снятия остатков алюминиевой капсулы; прессование прутка диаметром 90 мм из нагретой до 400°C заготовки на прессе усилием 5000 т. Из прутка на вертикальном прессе в НЛП «Автотехнология» была проведена изотермическая штамповка заготовок поршней. Физико-механические свойства прутков после закалки и искусственного старения представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Физико-механические свойства прутков.
Сплав
№ сплава
Т<sub>исп</sub>, °С
σ<sub>В</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub> МПа
δ, %
НВ, МПа
КТЛР, 1×10<sup>-6</sup> 1/град
Диам. пятна износа при Т-300°С, мм
Прототип
АК 18
20
255
-
0,7
1050
19,5
4,8
250
120
Предлагаемый
1
20
420
360
4,5
1600
18
3,0
250
170
2
20
370
330
4,5
1500
17,5
2,8
250
165
3
20
390
340
5,0
1550
17
2,7
250
185
Таким образом, предложенные составы сплавов обеспечивают повышение износостойкости, более высокую прочность при комнатной и повышенной температуре и более высокую пластичность, более низкий коэффициент линейного расширения. Это, в итоге, обеспечивает повышение ресурса работы поршней, работоспособность поршней при форсированных режимах двигателей, увеличение мощности двигателей, улучшение экологических характеристик двигателей (снижение шума, уменьшение эмиссии выхлопных газов).