CC BY
176
УДК 621.74.042
ЛИТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ
Е.В. Миронова, вед. инженер, А.С. Затуловский, ст. научн. сотр., к.т.н., А.В. Косинская, к.т.н., ст. научн. сотр., С.С. Затуловский, профессор, д.т.н., зав. отделом, Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины,
г. Киев
Аннотация. Приведены результаты исследований химсостава и структуры поршневых сплавов автомобилей различных марок, сравнительные триботехниче-ские характеристики литых композиционных материалов на основе алюминиевых матриц, армированных неметаллическими частицами. Показаны преимущества литых экономноармированных композитов с точки зрения их применения в автомобилестроении и других областях техники.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, поршень, литой композиционный материал, триботехнические характеристики, методы армирования.
Введение
Повышение долговечности и надежности работы трибодеталей автомобилей и других агрегатов и машин является актуальной и важной проблемой. Применяемые крупными автомобильными фирмами методы модифицирования, термическая обработка, жидкая штамповка, армирование стенки первой канавки поршневого кольца вставкой из сплава Neresist и др. часто не дают необходимых эксплуатационных характеристик или сложны в исполнении. Все более широкое применение в автомобиле- и авиастроении находят литые композиционные материалы (ЛКМ) системы Al-Si/SiC, поскольку они отличаются повышенной износостойкостью, крипоустойчивостью, высоким сопротивлением к зарождению трещин, более низким КТЛР, улучшенными прочностными показателями, теплостойкостью и теплопроводностью, хорошими технологическими свойствами. Факторами, сдерживающими распространение композитов, являются усложнение технологии и некоторое увеличение производственных затрат [1]. В связи с этим для получения КМ мы рекомендуем использовать методы композиционного литья in-situ (армирование матричного сплава выделившимися спонтанно в процессе кристаллизации фазами), а для снижения себестоимости КМ использовать замешивание в расплав (in-vitro) недорогих и недефицитных армирующих добавок.
Как показали исследования, для изготовления деталей шатунно-поршневой группы применяют сплавы на основе системы Al-Si и, как правило,
специальные силумины, в которых помимо кремния, содержатся в небольшом количестве такие компоненты, как Mg, Си, Мп, № (табл.1). Сплавы этой системы характеризуются высокими литейными и коррозионными свойствами. Для поршней дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания в странах СНГ наибольшее распространение нашел сплав марки АК12М2МгН. Российские заводы для изготовления поршней легковых автомобилей используют доэвтектические силумины (I группа), содержащие добавки Си, Mg. Близкие по составу к ним сплавы поршней автомобилей Мицубиси-Галан и Опель-Рекорд. Сплав АК12М2МгН с повышенным количеством железа вызывает появление в структуре железосодержащей фазы, что обуславливает снижение его пластичности и механических свойств. В меньшей степени используют эвтектические силумины, по составу приближающиеся к известному поршневому сплаву АК12М2Мг (II группа).
В качестве армирующих элементов были выбраны более дешевые и недефицитные порошки алюмосиликатов, отходов камнелитейного и огнеупорного (алюмосиликат) производств, а для сравнения более дорогой карбид кремния, а так же элементы стружки медного сплава. Выбранные материалы армирования имеют низкую плотность, приближающуюся к плотности расплавленного алюминия, обладают достаточно высокой температурой плавления, твердостью, характеризуются более низким, чем алюминиевые сплавы, коэффициентом линейного термического расширения, что позволяет прогнозировать повышение термостабильности ЛКМ.
Таблица 1 Химический и фазовый состав алюминиевых сплавов поршней двигателей внутреннего сгорания автомобилей различных марок
с < | Марка ав-г томо-би-ля Содержание компонентов в алюминиевом сплаве, мас%. Фазовый состав
Si Mg Си Fe Мп ТС №
I ГАЗ-52 5,37 0,37 7,25 0,83 0,24 0,06 0,15 a,a+Si,CuAl2 железосодерж. интерметалли-ды
Ваз-08 8,61 1,06 2,1 0,32 0,028 0,058 0,78 a,a+Si,CuAl2 интерметаллиды
Мицубиси-Галан 9,12 0,9 2,54 0,65 0,66 0,032 a,a+Si,CuAl2 интерметаллиды
Урал 9,4 1,18 1,32 0,58 0,1 0,081 0,98 a,a+Si,CuAl2 интерметаллиды
Газ-53 «Волга» 9,77 1,06 1,21 0,35 0,08 0,042 0,95 a,a+Si,CuAl2 интерметаллиды
^есо 9,77 1,08 1,16 0,33 0,04 0,048 1,09 a,a+Si,CuAl2 интерметаллиды
Опель - Рекорд 10,35 1,41 0,71 0,38 0,015 0,034 — a,a+Si,CuAl2 интерметаллиды
Москвич 10,8 0,79 1,27 0,53 0,084 0,055 0,77 a,a+Si,CuAl2 интерметаллиды
II ЗИЛ 11,3 0,87 1,11 0,5 0,05 0,076 1,16 a+Si,CuAl2железо и медно-никелевые фазы
Фиат 11,75 1,29 1,02 0,53 0,08 0,05 1,26 a+Si,CuAl2железо и медно-никелевые фазы
Икарус 12,2 1,06 1,26 0,64 0,07 0,13 1,0 a+Si,CuAl2железо и медно-никелевые фазы
Исследования, выполненные на установке ПРТ 1000М и дилатометре ДВК показали, что температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) снижается соответственно содержанию введенных частиц (рис.1).
а-10-6 °С
25
20
15
1 АК12М2
АК12
0
1
2
3
Рис.1. Изменение коэффициента линейного расширения (а) в зависимости от содержания неметаллических частиц в ЛКМ на основе сплавов: 1 - АК5М2; 2 - АК12
При получении ЛКМ замешиванием армирующих частиц в алюминиевый расплав (т^йго), были использованы частицы размером 100-300 мкм (алюмосиликат) и 10-150 мкм ^С), которые в количестве 3-15% вводили в жидкий расплав сплава АК12М2МгН при температуре 750 ± 20 °С и перемешивали образующуюся гетерогенную смесь. После выдержки расплав заливали в графитовую форму.
Установили, что введение армирующих частиц в алюминиевые сплавы приводит к повышению их износостойкости. На показатели триботехниче-ских характеристик влияют количественный и ка-
чественный состав материала армирующих элементов и условия проведения экспериментов как при сухом, так и при жидкостном трении. Однако закономерно в ЛКМ физико-механические характеристики существенно выше, чем традиционных порошковых сплавов (рис. 2).
] мкм/км 50
40
30
20
10
Пл.
12 3^ Р=6,3кг/см1; У=5м/С;
Рис. 2. Износостойкость композитов в условиях сухого трения: 1 - сплав поршня автобуса «Икарус»; 2 - АК12М2МгН, с 5 об % частиц SiC; 3 - с 15 об % частиц SiC; 4 - с 6 об % частиц алюмосиликата
Опыты показали, что «экономные» армирующие элементы по эффективности воздействия не уступают, а в большинстве случаев превосходят SiC (рис. 2, 3).
По сравнению с показателями для сплава автобуса «Икарус», уменьшение изнашивания компози-
ционных материалов, армированных частицами карбида кремния и алюмосиликата, происходит в 5-17 раз. Тенденция стабильного снижения износа у композита наблюдается при всех значениях нагрузки при ее увеличении от 40 до 100 Н/м2.
стойкостью при повышенных нагрузках обладал композиционный материал, имеющий в структуре два вида интерметаллидов в виде тройных и четверных соединений систем Cu-Fe-Si, Cu-Fe-Mn-Si.
J мкм/км 300
250
200
150
50
2,5
5,0 15 Р.кг
Рис. 3. Сравнительные показатели износа моносплава и композита на его основе; сухое трение; К=5м/с; I I - сплав АК5М2;
ESS3
- упрочненный бронзовой стружкой
Рис. 4. Структура композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного интерметаллидами сложного состава, Х250
Для получения КМ с более равномерным распределением армирующей фазы использовали метод ш^йи. Испытания экономноармированных композиционных материалов типа алюминий -интерметаллид сложного состава с использованием дискретных элементов бронз различных марок показали, что полученные композиционные материалы, включающие в качестве армирующей фазы, выделившиеся в результате кристаллизации дискретные интерметаллиды (рис. 4), имеют более высокую износостойкость, чем исходный алюминиевый сплав (рис. 5). Наибольшей износо-
i
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
-
i —
Р, кг
Рис. 5. Зависимость износостойкости исходного алюминиевого сплава и композитов на его основе от нагрузки в условиях трения со
смазкой, скорость скольжения 2 м/с: □ - АЛ25;
- АЛ25+3-5%Си-Ре^+СиАЬ ; _- АЛ25+3-5%Си^е^+Си^е-Мп^к
Ш
- An25+3-5%CuAl,
Выводы
Представленные результаты показывают, что разработанные литые экономноармированные композиционные материалы являются перспективными для использования в качестве деталей шатунно-поршневой группы автомобилей, тракторов и других трибодеталей с целью повышения их дееспособности и долговечности. Применение дешевых армируюших элементов взамен дорогостоящих керамических и борных волокон, частиц карбида кремния, являющихся к тому же дефицитными, позволит снизить стоимость ЛКМ на основе алюминиевых сплавов, сделать их более доступными для массового производства.
Литература
1. Затуловский А.С., Косинская А.В. Материалы в
автомобилестроении // Сб. докладов II меж-дунар. научно-практ. конф. - Тольятти. -2004. - Т.1. - С. 385-388.
2. Панфилов А.В. и др. // Процессы литья. - 2004.
- №4. - С.33-37.
Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 7 июня 2006 г.
5
10
