От инноваций в металлургии - к инновациям в машиностроении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

HP tl412_.fm Page 7 Wednesday, February 13, 2013 10:58 AM ^^

ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ _

Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин

УДК 669:621

ОТ ИННОВАЦИЙ В МЕТАЛЛУРГИИ -К ИННОВАЦИЯМ В МАШИНОСТРОЕНИИ

А.Г. Задерей, канд. экон. наук, В.Ю. Конкевич, докт. техн. наук

(ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru)

Показано применение передовой технологии металлургии - производства заготовок из поршневого быстрозакристаллизованного заэвтектического силумина с наноструктурным упрочнением.

Использование такой технологии позволило добиться создания одноцилиндрового дизельного двигателя, не уступающего по своим характеристикам лучшим мировым образцам.

Ключевые слова: поршень, алюминий, быстрая кристаллизация, заэвтекти-ческий силумин, наноструктурное упрочнение.

From Innovations in Metallurgy to Innovations in the Engineering Industry.

A.G. Zaderei, V.Yu. Konkevich.

The use of an advanced metallurgical technology, namely production of extruded bars in rapidly solidified hypereutectic piston silumin with nanostructural reinforcement is shown.

The use of the technology allowed creation of a one-cylinder Diesel engine which was on a par with the best world specimens in terms of its characteristics.

Key words: piston, aluminium, rapid solidification, hypereutectic silumin, nanostructural reinforcement.

Хорошо известны слова великого советского авиаконструктора Андрея Николаевича Туполева о том, что, приступая к созданию нового самолета, конструкторы неизменно обращают свой взгляд на металлургов. Действительно, прогресс в машиностроении невозможен без прогресса в создании новых материалов.

Когда конструкторы АК «Туламашзавод» совместно с учеными Владимирского госуниверситета решили создать новый одноцилиндровый дизельный двигатель оригинальной конструкции, не уступающий по своим характеристикам лучшим зарубежным образцам, большое значение для успеха их начинания имело решение задачи: удастся ли создать соответствующий замыслу поршень, который воистину является сердцем двига-

теля. Поэтому для обеспечения высокой эффективности, надежности, большого ресурса, хороших экологических показателей двигателя конструкторы АК «Туламашзавод» решили опираться на самые передовые технологии создания поршня.

Условия работы дизельного поршня гораздо более жесткие, чем бензинового. Температура прогрева бензинового поршня около 220 °С, а температура дизельного выше примерно на 20 °С, добавьте к этому детонацию при взрыве смеси, воздушное охлаждение при стационарно работающем двигателе, четырехтактный режим работы одноцилиндрового двигателя. Исходя из расчета требуемого низкого коэффициента линейного термического расширения, имелось в виду, что содержание кремния в алюминиевом сплаве

ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ

должно быть на уровне 18 % мас., поршень должен быть штампованным, без нерезисто-вой вставки. Те материалы, которые в середине 90-х годов использовали для производства дизельных поршней, не отвечали заданным требованиям физико-механических характеристик.

При решении сложных, комплексных задач очень важным является организация сотрудничества между различными, разнородными участниками создания техники (кстати, построение продуктивных «горизонтальных связей» являлось фирменным почерком ту-полевского КБ). Начиная с 1994-1995 гг. специалистами АК «Туламашзавод», ОАО ВИЛС и ООО НПП «Автотехнология - МАМИ» была проведена серия научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию поршня современной конструкции из передового наноструктурированного материала, который бы обеспечивал требуемый комплекс эксплуатационных и экологических характеристик дизельного двигателя.

Для эффективной работы двигателя, поршень должен обладать множеством оптимальных качеств, которые, зачастую, являются

противоречивыми с точки зрения комплекса физико-механических свойств материала. Для достижения качественного функционирования поршня при разработке его конструкции и выборе материала необходимо обеспечить определенный паллиатив, сочетание ряда компромиссов. Например, высокие прочность и жесткость должны сочетаться с низкой чувствительностью к концентраторам напряжений и высокой усталостной прочностью, низкая плотность, небольшой вес - с высокой жаропрочностью и износостойкостью; сложная форма - с минимальным изменением размеров и формы поршня в процессе работы двигателя. Взаимосвязь выполняемых поршнем основных функций и способов их обеспечения представлены в табл.1.

Как отмечено выше, одним из важных требований, предъявляемых к поршневым материалам, является низкий коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР). Низкий КЛТР обеспечивает возможность уменьшения зазора между гильзой и цилиндром и, как следствие, способствует увеличению мощности двигателя, снижению эмиссии выхлопных газов и уменьшению шума, предотвраща-

Таблица 1 Функциональные требования к материалу поршня

Выполняемая функция Характеристики поршня

Передача давления газов к коленчатому валу с помощью шатуна Высокие прочность и жесткость конструкции. Высокая твердость материала поршня

Высокая износостойкость, отсутствие «задиров» при работе в режиме максимальной мощности Структура материала представляет собой равномерно распределенные в матрице мелкие (до 20 мкм) твердые частицы кремния, противодействующие контртелу, прочную в широком диапазоне температур, комплексно легированную матрицу. Отсутствие ликвационных зон за счет использования штампованного материала. Быстрый и однородный отвод тепла для устранения точек местного перегрева

Рассеивание теплоты сгорания, передаваемой на днище поршня Малая величинатеплопоглощения,высокая теплопроводность и большая теплоемкость материала поршня

Бесшумность при работе и отсутствие «клинения», малая эмиссия выхлопных газов Низкий коэффициент теплового расширения материала поршня. Правильно спрофилированная юбка поршня, обеспечивающая равномерное давление на стенки цилиндра

Механическая надежность при всех режимах работы, включая «холодный» запуск Жесткость конструкции для уменьшения напряжений до минимума. Применение сплава с высокими механическими показателями как при комнатной, так и при высоких температурах. Высокая усталостная прочность материала поршня. Обеспечение текстуры деформации за счет получения заготовки поршня методом изотермической штамповки

-Ф-

ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ

X250 x80

Рис. 1. Микроструктура сплава АК18 (литье в кокиль)

ет «клинение» поршня при запуске двигателя в зимних условиях. Снижению коэффициента линейного теплового расширения алюминиевых сплавов способствует увеличение содержания кремния. Однако так называемые заэвтектические силумины, поршневые сплавы типа АК18, Mahle 228 (дополнительно легированные медью, магнием и др.), обладают недостаточным ресурсом из-за того, что грубые (100-200 мкм) кристаллы кремния (рис. 1, а), располагаясь, как правило, строчками (рис. 1, б), способствуют снижению прочности сплава, особенно при динамическом нагружении, и разрушению поршней в области пальцев и поршневых канавок.

Достижение требуемых эксплуатационных характеристик поршня вышеуказанного дизельного двигателя стало возможным благодаря разработке и организации в ВИЛСе единственного в России промышленного производства полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов, в частности из быстро-закристаллизованного наноструктурирован-ного заэвтектического силумина, сплава 1379п.

Сплав 1379п [1], кроме -18 % мас. Si, необходимого для обеспечения требуемого коэффициента линейного теплового расширения, традиционных упрочняющих легирующих компонентов Cu, Mg, Mn, комплексно легирован значительным количеством переходных металлов как растворимых (Zr, Ti около 1 % мас.) так и нерастворимых (Fe, Ni до 2,8 % мас.).

Научной основой создания быстрозакрис-таллизованных наноструктурированных спла-

вов является кристаллизация в соответствии с метастабильной диаграммой состояния [2]. На рис. 2 приведена метастабильная диаграмма состояния алюминий - кремний, из которой следует, что при кристаллизации со скоростью 103-104 °С/с сплавы, содержащие до 17 % мас. Б1, имеют доэвтектическую структуру, и только при повышении содержания кремния больше 17 % появляются первичные кристаллы кремния. При увеличении скорости кристаллизации до 106 °С/с эвтектическая структура наблюдается при содержании кремния порядка 36 %. Что касается других легирующих компонентов, то кристаллизация по метастабильной диаграмме

Рис. 2. Метастабильная диаграмма состояния Al—Si:

сплошная линия - равновесная кристаллизация, штрихпунктирная - кристаллизация со скоростью ~1 • 103 К/с, штриховая - со скоростью ~1 -10 6 К/с

ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2012

-Ф-

-Ф-

9

ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ

Рис. 3. Микроструктура гранул сплава 1379п, *250

состояния способствует значительному увеличению растворимости циркония и титана в алюминии и образованию так называемых аномально пересыщенных твердых растворов, а также значительному измельчению фаз, образованных нерастворимыми железом и никелем.

Таким образом, быстрая кристаллизация позволяет значительно измельчить и равномерно расположить кристаллы кремния в матрице сплава (рис. 3). Мелкие кристаллы кремния, находясь в легированной медью и магнием матрице, способствуют противодействию контртелу, обеспечивая высокую износостойкость поршня.

Очень опасными для работоспособности поршня являются экстремальные нагрузки, которым поршень подвергается при холодном запуске. При остановке двигателя и соответственно охлаждении поршня из-за огрубления упрочняющих фаз А^Си, Мд2в1, уменьшения степени легирования твердого раствора на основе алюминия заэвтектические силумины типа АК18 сильно разупрочняются. Следовательно, при холодном запуске двигателя сплав слабо противодействует пиковой нагрузке, что часто приводит к разрушению поршня.

Сплав 1379п отличается хорошей способностью противодействовать нагрузкам при холодном запуске. Это достигается за счет того, что содержащиеся в сплаве слаборастворимые в алюминии цирконий и титан образуют в условиях быстрой кристаллизации, как сказано выше, аномально пересыщенные твердые растворы в алюминии. В процессе техноло-

гических нагревов гранул происходит распад твердого раствора с образованием наночас-тиц А^г, А!зТ1. За счет того, что коэффициент диффузии циркония и титана в алюминии на 2-3 порядка ниже, чем у традиционных легирующих компонентов (Си, Мд), наночастицы являются термически стабильными при температурах эксплуатации поршней, сохраняя свой размер (50-150 нм). Таким образом,

■- '-п.- •■

t

Т ¡Г

ч 4 ' <

Рис. 4. Гранулы (а), компактные заготовки из гранул (б) и прессованные прутки из гранулируемого сплава 1379п (в)

а

в

-Ф-

-Ф-

ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ

Рис. 5. Поршни из сплава 1379п для дизельных двигателей конструкции АК«Туламашзавод»

они упрочняют матрицу сплава при комнатной температуре, обеспечивая стойкость поршня при холодном запуске. Кроме частиц А^г, А1зТ1, определенное упрочняющее воздействие на «холодный» сплав оказывают также дисперсные (за счет быстрой скорости охлаждения при кристаллизации) фазы алю-минидов никеля и железа, которые обеспечивают повышенную жаропрочность матрицы.

Поршни изготавливают штамповкой заготовок, полученных из прессованных прутков. Технология получения прессованных прутков из гранулируемого сплава 1379п состоит из следующих основных операций: литье гранул, вакуумная дегазация, компактирование в условиях вакуума, прессование компактной

заготовки на пруток, контроль макроструктуры, твердости, сдача прутка для дальнейшей изотермической штамповки поршня (рис. 4).

Практическим воплощением вышеизложенного подхода к технологии получения прессованных заготовок поршней стало создание серии поршней для дизелей производства АК «Туламашзавод» с рабочим диаметром цилиндров 85 и 95 мм. Внешний вид и конструктивное исполнение поршней представлены на рис. 5.

Особенности конструкции поршней состоят в следующем:

1. Рабочая поверхность поршней оптимизирована по геометрическим размерам и имеет эллипсообразную и бочкообразную

а б

Рис. 6. Макроструктура поршней, изготовленных из заэвтектических силуминов:

а - АК18, отливка, литье в кокиль; б - 1379п, штамповка

ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ

форму, что обеспечивает одновременно плотное прилегание поршня к поверхности цилиндра в нагретом состоянии, отсутствие за-диров и заклинивания в процессе эксплуатации дизелей.

2. Нижняя часть поршня («юбка») на рабочей поверхности имеет специальный рельеф, который обеспечивает ускоренную приработку без снижения долговечности.

3. Выше поршневых колец (на поверхности жарового пояса) выполнено лабиринтное уплотнение, состоящее из множества микроканавок. Принимая на себя импульс от давления газов в рабочей полости, оно снижает нагрузку на верхнее поршневое кольцо. Выполнение вышеописанных элементов поршня возможно только, если он изготовлен из высокопрочного и твердого поршневого сплава, с высокой плотностью. Заготовка из сплава 1379п именно таким материалом и является. На рис. 6, а представлена макроструктура поршня из литого сплава АК18, на которой видны поры, рыхлоты, а на рис. 6, б - плотная структура штамповки из гранулированного сплава1379п.

Заключение

Инновационная промышленная технология производства заготовок из гранулируемого алюминиевого сплава 1379п для поршней дизельных двигателей, получившая медаль на VI Международном форуме «Высокие технологии XXI века», 2005 г., способствовала созданию семейства дизельных двигателей, не уступающих по своим характеристикам лучшим европейским аналогам (табл. 2) и превосходящих их по работоспособности в тяжелых климатических условиях (при температуре -50 °С).

Созданная линейка дизельных двигателей Тмз450Д, Тмз540Д, Тмз630Д используется в

Таблица 2

Сравнение характеристик

дизельного двигателя Тмз450Д

конструкции АК «Туламашзавод»

и аналога Hatz 1Б40 (Германия)

Основные технические характеристики

Двигатель Тмз450Д ИвЬ 1Б40

Тип Дизель Дизель

четырех- четырех-

тактный тактный

Число цилиндров 1 1

Диаметр цилиндров 85 88

Рабочий объем,см3 454 462

Номинальная мощность, 8,0 (11) 7,3 (9,9)

не менее, кВт (л.с.)

Частота вращения колен- 3600 3600

вала при номинальной

мощности, об/мин

Удельный расход топлива 280 310

на номинальном режиме,

г/кВт • ч, не более

Масса сухая, кг 50 48/53,3

Стоимость, руб 58 000 80 000

настоящее время в качестве дизель-генераторов, для мотопомп, мобильных пожарных установок, вспомогательных источников питания различных изделий. Характерными свойствами указанных дизелей являются:

- низкий расход топлива;

- низкий уровень вибрации и шума;

- ресурс от 4000 до 5000 моточасов;

- показатели токсичности соответствуют перспективным Европейским нормам;

- температура эксплуатации (-50) - (+50) °С.

Все эти характеристики являются, в определенной степени, следствием использования в дизеле высокопрочных в широком диапазоне температур поршней с низким коэффициентом линейного теплового расширения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. 2468105 РФ, С1. Быстрозакристаллизованный сплав на основе алюминия для изготовления поршней. Патентообладатель ОАО ВИЛС. Зарегистрирован 27.11.2012. Опубл. 27.11.2012. Бюл. № 33.

2. Бочвар С.Г., Лебедева Т.И., Конкевич В.Ю. Высокоскоростная кристаллизация при литье -

эффективный путь в производстве заэвтектиче-

ских силуминов // Цветные металлы. 2008. № 1. С. 16-21.

3. Пат. 2467830 РФ, С1. Способ производства заготовок из быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов. Патентообладатель ОАО ВИЛС. Зарегистрирован 27.11.2012. Опубл. 27.11.2012. Бюл. № 33.