CC BY
388
УДК 669.620.187
МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕЙ ДВС
В.К. Лобанов, профессор, д.т.н., Е.В. Чуйкова, инженер, ЦЛГП «Завод им. В.А. Малышева»
Аннотация. Выполнена работа по выбору оптимальной технологии изготовления заготовок поршней энергоагрегата ЭА-8 и транспортного дизеля 2ДТ. Проведен анализ свойств поршневых сплавов АЛ-25 и АК4-1, полученных по различным технологиям.
Ключевые слова: поршень, рабочая температура, кратковременная твердость, длительная твердость.
Введение
Высокая надежность работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) обеспечивается качеством и долговечностью поршня - ответственной, тяжелонагруженной и дорогостоящей детали. Поршни ДВС работают в условиях высокой тепловой и механической напряженности, к ним предъявляются повышенные требования по теплопроводности, статической, динамической и усталостной прочности, антифрикционным свойствам, износостойкости, коррозионной стойкости, а также по удельному весу и коэффициенту линейного расширения.
Анализ публикаций
В настоящее время поршни изготавливаются в промышленности литьем в кокиль с использованием литейных поршневых сплавов, горячей штамповкой деформируемых сплавов, реже применяют штамповку в жидкой фазе, литье под низким давлением и изотермическое прессование. Литье в кокиль - наиболее простой технологический процесс, позволяющий использовать поршневые сплавы с низким коэффициентом линейного расширения (КЛР) и получать отливки сложной конфигурации. Однако кокильные поршневые заготовки имеют два существенных недостатка: невысокое качество заготовок (пористость в массивных частях) и низкий коэффициент использования металла (КИМ), так как большое количество металла уходит
в отходы литейного производства (литниковая система и напуски от литейных уклонов). Заготовки, полученные горячей штамповкой деформируемых сплавов (как правило, АК4-1), отличаются высоким качеством, но деформируемые сплавы по сравнению с литейными имеют на 15 - 20% более высокие значения КЛР, а КИМ при горячей штамповке еще меньше, чем при литье в кокиль, так как металл уходит в отходы кузнечного производства - облой и напуски от штамповочных уклонов. Жидкая штамповка поршней предпочтительнее, так как сочетает достоинства обоих вышеуказанных способов - позволяет получать бездефектные, плотные заготовки с мелкодисперстной структурой материала поршня (аналогично горячештампо-ванным), позволяет использовать литейные поршневые сплавы с низким КЛР и обеспечивает высокие эксплуатационные свойства поршней по сравнению с кокильными заготовками, а также значительное сокращение расхода материала.
Остальные из указанных способов получения поршневых заготовок обеспечивают высокое качество поршней, но отличаются большой сложностью технологического процесса: изотермическим прессованием, меньшим КИМ.
Цель и постановка задачи
Целью работы является повышение качества поршней путем выбора материала и технологии изготовления. Для реализации постав-
ленной цели исследовали свойства заготовок из сплавов АЛ-25 и АК4-1, полученных жидкой штамповкой и горячим прессованием.
Результаты исследования
Выполнена работа по выбору оптимальной технологии изготовления заготовок поршней энергоагрегата ЭА-8 и транспортного дизеля 2ДТ, незначительно отличающихся по геометрическим параметрам, но работающих в различных условиях тепловой напряженности. Рабочая температура головки поршня энергоагрегата составляет 190 - 210 °С, а двигателя 2ДТ - 260 -280 °С.
Технология изготовления поршней энергоагрегата предусматривает горячую штамповку поковок из алюминиевого сплава АК4-1 в открытом штампе [1]. Штампованные заготовки подвергали закалке в воду от температуры 530±5°С и последующему старению при температуре 180±5°С в течение 14 ч.
Изучение свойств сплава АК4-1 исследуемой плавки на образцах, вырезанных из поршня, свидетельствует, что принятая технология обеспечивает высокие значения механических характеристик материала тронка: Св = 450 МПа, С0.2 = 350 МПа, 5 = 14%, НВ 136 - 138. Испытание поршней на одноцилиндровых отсеках и развернутых изделиях показало их удовлетворительную работоспособность. Однако поршни двигателя 2ДТ, изготовленные по приведенной технологии, оказались неработоспособными. Сплав АК4-
1 значительно разупрочнялся, полость под кольцедержатель разбивалась, что сопровождалось прорывом газов в картер двигателя. В этой связи было предложено изготовлять заготовки поршня двигателя 2ДТ из алюминиевого сплава АЛ25, отличающегося от сплава АК4-1 повышенной теплостойкостью [2]. Заготовки поршней из этого сплава изготавливали штамповкой жидкого металла (расплава) на гидравлическом прессе в пресс-форме с использованием принципа поршневого прессования [3].
Полученные заготовки поршней из сплава АЛ-25 термообрабатывали по режиму: закалка в горячую воду после выдержки в течение 3 ч при 495°С; старение при 195°С с выдержкой в течение 6 ч, охлаждение на воздухе.
Химический состав сплавов приведен в табл. 1.
Механические свойства образцов из сплавов АК4-1 и АЛ-25, термообработанных на заданную твердость, приведены в табл. 2.
На рис. 1 - 2 представлены зависимости значений длительной (т=1 час) и кратковременной (т=30 с) твердости от температуры испытаний.
Установлено, что образцы из сплава АК4-1 при температуре испытания от 20 до 200°С имеют достаточно высокие показатели как прочности, так и пластичности, по сравнению с соответствующими показателями образцов из сплава АЛ25.
Таблица 1 Химический состав сплавов
Сплав Основные компоненты, % вес. Примеси, % вес. Основа
81 Си Мм N1 Бе Мп Т1 гп Сг
АК4-1 0,5 - 1,2 1,9 - 3,5 1,4 - 1,8 0,8 - 1,3 0,8 - 1,3 - 0,1 0,3 - А1
АЛ-25 11 - 13 1,5 - 3,0 0,8 - 1,5 0,8 - 1,3 - 0,3 - 0,6 0,05 - 0,2 0,2 0,2 А1
Таблица 2 Механические свойства сплава АК4-1 и АЛ-25
Сплав, способ изготовления поршней Температура испытания, °С Ов, МПа О0,2, МПа 5, % Твердость
Кратковременная твердость (т=30 с) Длительная твердость (т=1 час) При Г = 20°С после различных температур испытания
АК4-1, горячая штамповка 20 450 350 14,2 136 - 138 136 - 135
100 430 350 14,8 124 - 126 120 - 119 135
200 360 325 9,6 118 - 116 110 - 108 135
300 155 150 12,0 55 - 54 20 - 19 107
400 40 38 32,4 20 - 19 9- 8 66
АЛ-25, штамповка жидкого сплава 20 250 215 1,2 107 - 104 101 - 99
100 220 195 1,2 94 - 96 85 - 83 102
200 190 180 2,0 79 59 - 58 96
300 130 120 4,0 50 - 48 32 - 30 93
400 50 40 9,6 26 16 - 13 87
-АК4-1
-АЛ-25
100 200 300 400 500
Температура испытания, °С
Рис. 1. Влияние температуры испытаний на кратковременную твердость
80 -60 -40 -20 -0
-АК4-1
АЛ-25
Температура испытания, °С
Рис. 2. Влияние температуры испытаний на длительную твердость
При дальнейшем увеличении температуры уровень механических свойств существенно снижается.
При испытании образцов сплавов АК4-1 и АЛ-25 было установлено, что образцы с более высокой твердостью имеют повышенные значения временного сопротивления разрыву, предела текучести и относительного удлинения.
При температуре испытаний 200 - 300°С у всех образцов наблюдается незначительное повышение относительного удлинения. В диапазоне температур 300 - 400°С происходит резкое увеличение показателей пластичности с 12 до 32% для АК4-1 и с 4 до 9% для АЛ-25.
Сравнительные исследования твердости образцов из сплавов АК4-1 и АЛ-25 показали, что с увеличением температуры испытаний резко снижается как длительная, так и кратковременная твердость материала. В интервале температур 200 - 300°С у образцов из сплава АК4-1 наблюдается существенное разупрочнение: длительная твердость снижается от 108 - 110 до 19 - 20 НВ, кратковременная - 116 - 118 до 54 -55 НВ. У образцов из сплава АЛ-25 твердость снижается в меньшей степени: длительная - от 58 - 59 до
30 - 32 НВ, кратковременная - от 79 до 48 -50 НВ (рис. 1 - 2, табл. 2).
После испытаний повторно замерена твердость образцов при комнатной температуре и установлено, что при остывании (после нагрева до температуры испытания 350 - 400 °С) твердость образцов из сплава АК4-1 ниже твердости образцов из сплава АЛ-25.
Проведенное исследование позволило разработать и реализовать в производственных условиях технологию изготовления жидкой штамповкой поршней двигателя 2ДТ на Харьковском ГП «Завод имени В. А. Малышева». Полученные поршни прошли все испытания и выдержали ресурс работы.
Выводы
1. Результаты испытаний показали, что при температуре 200 - 250 °С более высокими механическими характеристиками обладают заготовки, полученные горячей штамповкой из сплава АК4-1. Однако при нагреве до 300°С заготовки, полученные жидкой штамповкой из сплава АЛ25, меньше разупроч-няются, чем заготовки из сплава АК4-1.
Следовательно, поршни, работающие при температуре около 200°С, предпочтительнее изготавливать горячей штамповкой из сплава АК4-1, а поршни, работающие при температуре, близкой к 300°С, - жидкой штамповкой из сплава АЛ-25.
2. Результаты выполненной работы были учтены при внедрении в производство технологий изготовления тяжелонагруженных поршней форсированных ДВС.
Литература
1. Лобанов В.К., Любченко А.П., Босин Е.Е.,
Костомаров А.Н., Косовцев А.Н. Биметаллические штампованные поршни для форсированных ДВС// Мехашка та ма-шинобудування. - 2001. - №1, 2.
2. Сергеев П.С. Штамповка жидких цветных
металлов и сплавов. - Л.: Судпромгиз, 1957.
3. Батышев А.И. Совмещенные способы литья
и прессования. - М., 1971.
Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 июля 2009 г.
100
50
0
100
500
