CC BY
82
УДК 629.4
В. А. Кручек, П. В. Дворкин
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ
Дата поступления: 14.01.2016 Решение о публикации: 18.01.2016
Цель: Рассмотреть перспективы использования титановых сплавов при проектировании дизеля и при разработке новых конструкционных материалов для повышения надежности и долговечности форсированных дизелей. Методы: Для оценки титановых сплавов использовали металлографический и микрорентгеноспектральный анализ. Результаты: Выяснили, что использование титановых сплавов при конструировании поршней тепловозных дизелей увеличивает пластичность поршня на 8 %, уменьшает относительное удлинение при высоких температурах (до 700 °C). Практическая значимость: Использование титановых сплавов повышает надежность работы поршня и позволяет увеличить степень форсирования по наддуву, что способствует увеличению мощности дизеля.
Поршень ДВС, титановые сплавы, механические свойства сплавов, пластичность сплавов, теплонапряженные детали цилиндра.
Viktor А. Kruchek, Dr. Sci. (Eng.), professor, victor.kruchek@yandex.ru; *Pavel V. Dvorkin, assistant lecturer, aohara@rambler.ru (Petersburg State Transport University) PERSPECTIVES OF USING THE TITANIUM ALLOYS FOR HEAT STRESSED PARTS
Objective: To examine the perspectives of using the titanium alloys for diesel motors design and for development of new construction materials for improvement of reliability and life time of forced diesels. Methods: Metallography and X-ray microanalysis were used for titanium allows examination. Results: It was found, that using of titanium allows for train diesel motor piston design would increase the elasticity of the piston for 8 %, and decreases the elongation under high temperatures (up to 700 °C). Practical importance: Using of titanium alloys improves the reliability of piston operation and allows to increase the grade of forced induction, that provides the diesel power increasing.
Piston of internal combustion engine, titanium alloys, mechanical properties of the alloys, alloy ductility, heat stressed cylinder parts.
Поршни ДВС воспринимают значительные тепловые и механические нагрузки, поэтому большое значение имеет улучшение механических ха-
67
рактеристик сплавов для поршней (твердости, прочности, жаропрочности, усталостной прочности) при сохранении высокого уровня свойств этих материалов, необходимых для обеспечения работоспособности поршней (износостойкости, коррозионной стойкости, низкой удельной массы и т. д.).
При форсировании режимов работы дизелей возрастает теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы, при этом нагрузочная способность традиционных конструкционных материалов оказывается исчерпанной, поэтому разработка новых конструкционных материалов для повышения надежности и долговечности форсированных дизелей - актуальная задача.
С учетом требований низкой теплопроводности наиболее подходят два класса материалов: керамика и металлокерамические сплавы на основе титана. Как известно, металлокерамические сплавы обладают большей нагрузочной способностью в условиях динамических нагрузок, чем керамические, поэтому более предпочтительны для изготовления деталей цилиндропоршневой группы. Однако закономерности их структурообразования, влияние легирующих комплексов, технологических параметров процесса производства, условий эксплуатации на уровень служебных и физико-механических свойств исследованы недостаточно полно. Для изготовления деталей дизелей с уменьшенными теплопотерями целесообразно применять легирующие комплексы, включающие Al, Mo, V, Zr, Cr, Sn, Si [2].
В данной статье проанализировано влияние химического состава сплава и рабочей температуры на уровень механических свойств сплавов на основе титана, а также реализация найденных закономерностей в серии экспериментальных литейных металлокерамических титановых сплавов на основе систем Ti-Al-M-Si, Ti-Al-Mn-Si-Zr и Ti-Al-Mn-Si-Cr-Mo. Отливки экспериментальных сплавов с различным содержанием легирующих элементов готовили методом индукционной плавки в атмосфере аргона, комбинацией этого метода с электронно-лучевой плавкой, методом электронно-лучевой плавки и двойного электрошлакового переплава. В качестве шихтовых материалов использовали отходы сплавов ОТ4-1, ВТ5 и легирующие добавки.
Исследование механических свойств титановых сплавов
Металлографические исследования проводили на микрошлифах с помощью микроскопа «Neophot-30». Для выявления микроструктуры сплавов на основе титана использовали универсальный травитель для титановых сплавов, а также тепловое травление шлифов при температуре 600 °С в течение 3-5 мин. Фазовый состав сплавов уточняли с помощью рентгеноспектрального микроанализатора MS-46 фирмы «Cameca» и рентгеновской установки ДРОН-2,0. Образцы для испытаний на растяжение испытывали на машинах FP 100/1 при нормальной и НР-0,5 при повышенных (500-800 °C) темпера-
68
турах (соответственно, по ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 9651-84). На каждую точку испытано не менее пяти образцов, твердость которых определяли согласно ГОСТ 9013-59 на приборе Роквелла при нагрузке 150 кг. В каждом случае производили не менее 10 замеров.
Твердость серийного сплава ОТ4-1 составляет 32,0-34,0 HRC. Легирование базового сплава (ОТ4-1) элементами-упрочнителями (Cr, Mo, Si, Zr) приводит к существенному повышению твердости - 41,5-52,0 HRC. Ее наиболее заметное приращение отмечено в сплавах системы Ti-Al-Mn-Si-Cr-Mo, поскольку в зернах матрицы содержатся включения интерметаллидов (TiCr2, Ti3Al и др.) и силицидов Ti5Si3.
Результаты металлографического и микрорентгеноспектрального анализов показали, что первичные силициды титана, имеющие форму гексагональных призм и пластин, являются различными сечениями одних и тех же кристаллов с микротвердостью 9600 МПа, что соответствует твердости фазы Ti5Si3 [3]. По данным количественного микрорентгеноспектрального анализа, в этой фазе содержится 25,5 % Si и 74,5 % Ti, что также соответствует соединению Ti5Si3, имеющему гексагональную кристаллическую решетку. В сплавах, дополнительно легированных цирконием, часть атомов титана в силициде замещена атомами циркония, в результате чего образуется более пластичный силицид (TiZr)5Si3 Молибден с титаном не образует химических соединений и, как показало электронное зондирование различных участков сплава, он растворен в титановой матрице.
Исследование пластичности титановых сплавов
Аналитическое исследование влияния химического состава (Al, Mn, Si, Cr, Mo, Zr) и температуры испытания /исп на временное сопротивление разрыву оВ и относительное удлинение 5 показало, что статистически значимое влияние на оВ оказывают только Si и /исп на 5 - только Si. Указанный характер влияния связан с тем, что кремний, образуя с титаном тугоплавкие жаропрочные силициды, тормозит повышение 5 в области высоких температур. Эти данные подтверждаются результатами высокотемпературных испытаний на растяжение: до температуры около 700 °С 5 сохраняется в пределах 2-3 % и заметно возрастает при повышении температуры более 750 °C.
Сравнение частных коэффициентов корреляции показало, что А1 оказывает, соответственно, в 2-3 раза меньшее влияние на оВ и 5, чем Si (для оВ rA1 = = 0,095, для 5 rA1 = -0,149). Влияние остальных перечисленных выше элементов для данной выборки было выражено слабее. Так, Mn не оказывает статистически значимого влияния на исследованные характеристики. Следовательно, для выплавки титановых сплавов в качестве основы могут быть использованы как отходы серийных титановых сплавов, содержащие до 2 % Mn или
69
не содержащие его, так и губчатый титан. В связи с этим количество вводимых легирующих добавок будет зависеть от выбора основы для нового материала.
Выявленное при статистическом исследовании незначительное влияние Сг, Мо и Zr на оВ и 5 связано, вероятно, со сравнительно малым числом исследованных сплавов, легированных этими элементами. С повышением температуры происходит катастрофически быстрое разупрочнение серийного сплава. Ход кривых, характеризующих поведение опытных сплавов, свидетельствует об их значительно большей устойчивости к воздействию температуры. Исходный уровень прочности сохраняется примерно до 600-650 °C; при дальнейшем увеличении температуры разупрочнение происходит более интенсивно, однако значения оВ при /исп = 800 °С остаются существенно выше, чем у серийного сплава. Полученные результаты свидетельствуют о значительном запасе прочности опытных сплавов, особенно сплавов систем Ti-Mn-Al-Si, Ti-Al-Mn-Si-Zr, и позволяют прогнозировать их высокую жаропрочность.
Наиболее значительный рост пластичности с повышением температуры наблюдается в сплаве ОТ4-1 (5 800°C ~ 44 %). В экспериментальных сплавах разветвленные кристаллы эвтектического силицида, тонкодифференцированные продукты эвтектоидного распада в-фазы и мелкодисперсные включения ин-терметаллидов тормозят процессы разупрочнения, в связи с чем пластичность указанных сплавов остается на низком уровне (5 20°C ~ 1,5-2 %, 5 700°C ~ 2-3 %). В сплавах, содержащих цирконий, значения 5 оказались несколько выше (5 800 °с ^ 7 %), что связано, как указывалось ранее, с образованием более пластичного силицида (Ti, Zr)5Si3.
Указанные уровни механических свойств достаточны для обеспечения необходимой конструктивной прочности деталей цилиндро-поршневой группы (теплозащитные накладки на поршень, головку цилиндра, вставки в гильзу цилиндра) при рабочих температурах двигателя с отключенной системой охлаждения.
Выводы
Таким образом, исследования показали перспективность разработки литейных металлокерамических сплавов на основе титана для деталей цилиндро-поршневой группы и других агрегатов, работающих в условиях динамических нагрузок при 600-750 °C.
Библиографический список
1. Корягин С. И. Способы обработки материалов : учеб. пособие / С. И. Корягин, И. В. Пименов, В. К. Худяков. - Калининград : Изд-во Калининград. гос. ун-та, 2000. -448 с.
70
2. Мазур В. И. Использование метода математической статистики для выбора легирующих комплексов сплавов на основе титана / В. И. Мазур, С. В. Капустникова, Р. Я. Ра-бухина // Двигателестроение. - 1987. - № 11. - С. 34-35, 38.
3. Самсонов Г. В. Твердые соединения тугоплавких металлов / Г. В. Самсонов, Я. С. Уманский. - М. : Металлургиздат, 1957. - 388 с.
References
1. Koryagin S. I., Pimenov I. V. & Khudyakov V. K. Sposoby obrabotki materialov: uchebnoye posobiye [Methods of material processing: textbook]. Kaliningrad, Publ. house of Kalinigrad State Univ., 2000. 448 p.
2. Mazur V. I., Kapustnikovа S. V. & Rabukhina R.Ya. Dvigatelestroenie - Engine building, 1987, no. 11, pp. 34-35, 38.
3. Samsonov G. V. & Umansky Ya. S. Tverdyye soyedineniya tugoplavkikh metallov [Solid compounds of high-melting metals]. Moscow, Metallurgizdat, 1957. 388 p.
КРУЧЕК Виктор Александрович - д-р техн. наук, профессор, victor.kruchek@yandex.ru; *ДВОРКИН Павел Владимирович - ассистент, aohara@rambler.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
© В. А. Кручек, П. В. Дворкин, 2016
71
