Поршневые силумины

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

УДК 621 В.Д. Белов

ПОРШНЕВЫЕ СИЛУМИНЫ

Для изготовления поршней обычно приме -няют литейные и деформируемые сплавы на основе алюминия. Основными преимуществами алюминиевых сплавов как материала для поршней является их хорошая теплопроводность и низкая плотность. Эти сплавы довольно технологичны, имеют относительно высокую уста -лостную прочность.

Применяемые для изготовления поршней алюминиевые сплавы можно разделить на следующие группы: А1-Си; А1-Си-№; А1-Си-Б1 и А1-Б1-Си-№. Однако первые три группы имеют существенные недостатки, которые ограничивают их применение в настоящее время. Так, сплавы системы А1-Си имеют высокий коэффициент линейного расширения (КЛР) (до 28 • 10"6 К"1) и низ -кую пластичность. Сплавы системы А1-Си-№ имеют низкие литейные свойства (склонность к горячим трещинам, образованию рыхлот и газовой пористости), а также довольш высокое значение КЛР.

Сплавы системы А1-Си-Б1 широко используются в автомобильной и тракторной промышленности, однако они имеют довольно высокий КЛР, равный 23-24 • 10-6 К-1 в интервале температур 20-300°С, и сравнительно низкую износостойкость.

Сплавы системы А1-Б1-Си-№ являются наиболее широко распространенным поршневым материалом на настоящий день, причем они используются как для производства литых поршней, так и для изготовления поршней методами обработки давлением.

Сплавы данной системы могут быть эвтектическими и заэвтек-тическими.

Эвтектические силумины наряду с достаточно высокими прочностными характеристиками обладают относительно малой плотностью, высокой теплопроводностью и сравнительно хорошими технологическими характеристиками. Од -нако следует отметить недостаточно высокую жаропрочность этих сплавов, что ограничивает их применение для изготовления поршней тяже -лонагруженных и форсированных двигателей.

Заэвтектические легированные силумины преимущественно используются для изготовления поршней, рабочая температура которых достигает 300-320°С. Поэтому поршни из заэвтек-тических силуминов предпочтительно исполь -зуются для тяжелонагруженных двигателей

В последнее время сильно изменились требования к поршням для газовых двигателей. В настоящее время эти двигатели работают в более тяжелых условиях и при более высоких температурах, поэтому общепринятые доэвтектиче -ские и эвтектические силумины постепеню заменяют на заэвтектические.

Традиционно используемыми заэвтектиче -скими легированными силуминами являются сплавы Mahle 138, Nurall761, KS280, АЛ26, АК21М2,5Н2,5. Химический состав некоторых из них приведен в табл. 1, свойства - в табл. 2.

Таблица 1

Химический состав заэвтектических поршневых силуминов

№ Сплав Соде эжание элементов, % мае. остальное алюминий)

Si Си Ni Mq Mn Fe Ti Прочее

1 AiSil6CuNi 15,7-16,9 0,97-1,2 1-3,5 0,56-0,66 0,04-0,56 0,32-0,53 0-0,04

2 KS281 Mahle 138 17-19 0,8-1,5 0,8-1,3 0,8-1,3 <0,2 <0,7 <0,2

3 KS283 17-19 3,7-4,7 2,8-3,2 0,4-0,6 0,6-0,8 <0,7 <0,2 Zn - 0.2

4 KS280, АЛ 26 20-22 1,5-2,2 1-2 0,4-0,7 0,4-0,8 <0,7 <0,2 Zn <0.3

5 KS288 Mahle 244 23-25 0,8-1,3 0,8-1,3 0,8-1,3 <0,2 <0,7 <0,2 Zn <0,2

6 А390 16-18 4-5 - 0,45-0,65 <0,1 <0,5 0,2 Zn<0,l

Поршневые силумины

В.Д.Бепов

Из этих источников видно, что заэвтектиче -ские силумины, используемые для изготовления поршней, - это сложнолегированные сплавы. Кроме основного легирующего элемента - крем -ния - наиболее часто используются Си, №, Mg, Мп, Т, Сг, Со, 2г и др.

Эвтектические поршневые силумины в настоящее время широко применяются в автомобилестроении, так же как и заэвтектические сложнолегированные сплавы. Основными легирующими элементами в них являются медь, магний и никель.

Технология приготовления расплавов поршневых силуминов традиционно включает в себя проведение операций рафинирования и модифицирования , а иногда и микролегирования.

Оптимальной с точки зрения эффективности и экономичности следует считать схему приготовления расплавов, которая предполагает использование комбинированных методов рафинирования, а также применение комплексных флюсов. Поэтому для повышения свойств заэв-тектических силуминов, используемых для изготовления поршней, рекомендуется применение внепечной обработки расплава с совмещением операций рафинирования, модифицирования и микролегирования.

Для данной технологии характерно:

- введение в состав шихты для приготовления расплава до 100% ломов, отходов и брака производства и до 30% стружки;

- отказ от применения флюса в плавильной печи;

- дегазация расплава в ковше продувкой инертным газом с высокой скоростью истечения из сопла, коррекция конструкции сопловой насадки и технологических па -раметров продувки в соответствии с имеющимися производственными уело -виями;

- одновременное проведение рафинирова -ния, модифицирования и микролегирова-ния жидкого металла в ковше лигатурой

и специально разработанными препара-тами.

В рамках технологии внепечной обработки, например расплава заэвтектического силумина, флюсовое рафинирование от неметаллических включений осуществляется при переливе металла из плавильной печи в разливочный ковш. В этом случае используется энергия падающей струи для перемешивания расплава в ковше. Флюс КС1 (NaCl) - KBF4 (K2ZrF6) подается на струю металла после заполнения ковша на 1/4—1/3 его высоты. Не рекомевдуется насыпать флюс на дно пустого ковша перед его заполнением металлом, так как флюс в этом случае прибивается струей ко дну, спекается и плохо замешивается в расплав. Расход флюса составляет 0,5—1,0% от массы сливаемого металла.

Дегазация металла проводится в ковше без предваригельшго съема шлака, это позволяет повысить эффективность обработки. Примене -ние экологически чистой технологии продувки высокоскоростной струёй инертного или нейтрального газа позволяет быстро и с минимальными затратами очистить расплав заэвтектического силумина от водорода до содержания 0,16 см3/100 г металла.

Ковш, в котором проводится продувка, может вмещать от 400 до 1000 кг металла, длительность продувки составляет 3—5 мин, а давление рабочего газа в фурме — 0,3—0,4 МПа. После окончания продувки окомковавшийся шлак на зеркале металла разбивают шумовкой и равномерным слоем распределяют по поверхности. Длительность выдержки расплава под слоем шлака зависит от емкости ковша, но должна быть не менее 10 мин.

Процесс рафинирования расплава объединяется с операцией модифицирования фосфором и микролегирования РЗМ. При этом в качестве модифицирующего препарата может быть использована, например, смесь на основе технического фосфвда меди (Cu3P), а РЗМ — в ввде лигатур Si—Y или Si—Ce, вводимых перед началом продувки.

Таблица 2

Свойствазаэвтектическихпоршневых силуминов

Номер сплава (см. табл. 1) Свойства сплава

Предел прочности, М Па Относительное удлинение, % Твердость по Бринеллю, НВ КЛР • 10-6 (20-200° С) Относительная износостойкость

20° С 150° С 250° С 20° С 150° С 250° С 350° С

2 180-220 170-200 100-140 0,2-0,8 90-125 70-90 35-40 24-28 18,5-19,5 1

3 180-220 - 120-150 0,2-0,5 90-125 - 38-45 29-33 17-18 -

4 160-200 - 100-140 0,1-0,4 95-105 - 30-35 20-25 17-18 -

5 180-220 170-200 100-140 0,1-0,3 90-125 70-90 38-45 29-33 16-17 1,5

Применение технологии внепечной обработки поршневых заэвтектических силуминов с совмещением операций их рафинирования, модифицирования и микролегирования позволяет в 10 раз уменьшить брак поршней по газовой пористости и неметаллическим включениям, на 7-15% повысить механические свойства сплава и улучшить его обрабатываемость резанием. При этом на 25-30 мин сокращается длительность обработки расплавов и снижается себестоимость их приготовления по сравнению с традиционными технологиями последовательной обработки.

Следует отметить, что вопрос выбора модификатора для поршневых силуминов решается в зависимости от содержания в сплаве кремния: для заэвтектических (Б1 > 12 масс %) рекомендуется фосфор; для эвтектических в России преимущественно применяется натрий.

Модифицирование заэвтектических силуминов фосфором дает возможность существенно улучшить их прочностные свойства, однако на твердость сплава модифицирование практически не влияет. Следует отметить положительное влияние модифицирования фосфором на обраба-тываемость заэвтектических силуминов резанием (износ режущего инструмента снижается примерно на 50% при литье отливок в кокиль), а также их износостойкость.

В настоящее время единого мнения о механизме модифицирования заэвтектических силу -минов нет. Большинство исследователей объясняет модифицирующее действие фосфора на размер и форму кристаллов первичного кремния (КПК) образованием в алюминиевых расплавах тугоплавких частиц фосфида алюминия (А1Р), которые , обладая сходным типом и близкими пара -метрами кристаллической решетки, являются центрами кристаллизации для первичного кремния.

Натрий, традиционно используемый в России для модифицирования эвтектических поршневых силуминов, позволяет измельчать частицы кремния в эвтектике, что положительно сказывается на механических свойствах этих силуминов. Однако одно из главных свойств поршневых сплавов -износостойкость при этом не улучшается. В связи с этим в настоящее время все чаще при приготовлении этих сплавов в расплав стали вводить фосфор, под влиянием которого в процессе кристаллизации в структуре эвтектических силуминов

образуются КПК, способствующие повышению износостойкости поршней.

Фосфор как модификатор заэвтектических силуминов вводится в расплав в ввде различных препаратов и лигатур. При этом температура жвдкого металла, необходимая для усваивания расплавом фосфора, колеблется в широком интервале и чаще всего составляет 850-900°С, т.е. перегрев над температурой ликввдус сплава превышает 150°С. Для микролегирования поршневых эвтектических силуминов фосфором применяются, как правило, те же самые препараты и лигатуры, которые используются и при обработ-ке заэвтектических силуминов. При этом температура перегрева расплава превышает 250°С. Известно, что перегрев жвдкого металла отрицательно сказывается не только на свойствах сплава , но и приводит к необоснованным затратам на производство отливок.

Из-за наличия указанных выше недостатков исследования по оптимизации технологии ввода фосфора в расплав силумина проводятся уже многие десятилетия. В настоящее время наиболее широко применяются для ввода фосфора лигатуры Си-Р, содержащие фосфора 8-15 и 80 мас.% и имеющие форму «вафельной плитки» и гранул.

На кафедре технологии литейных процессов МИСиС разработана лигатура А1-Ме-Р в ввде прутков с минимальным диаметром 8 мм. Лабораторные исследования показали, что низкая температура плавления лигатуры (<600°С) и малый диаметр прутка позволяют вводить ее в расплав без специального его перегрева не только в печи, но и на стадиях перелива металла в ковш, литниковую чашу или желоб при непрерывном литье слитков.

Разработанная прутковая лигатура А1-Ме-Р эффективна при модифицировании заэвтектиче -ских и микролегировании эвтектических поршне -вых силуминов. Сравнительный анализ лигатуры, изготовленной по схеме «слигок^-поперечно-винтовая прокатка», и лигатуры, изготовленной в Германии методом порошковой металлургии с последующим прессованием в пруток, показал, что их модифицирующий эффект одинаков. Стоит отметить, что технология изготовления лигатуры по схеме, разработанной на кафедре ТЛП МИСиС, имеет более низкую себестоимость.