CC BY
87
/7 ггтггг^ IT кгатггг ггг /70
-3 (57), 2010 / f U
The control of hardness changing, as well as durability tests of experimental alloys by means of time determination before samples destruction are carried out
К. Н. ЛОЗА, ОАО «мотор Сич», А. А. МШЯЕВ,
и. П. ВОЛчОК, Запорожский национальный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ ЖАРОПРОЧНОСТИ ПОРШНЕВОГО СПЛАВА АЛ25
УДК 669.714.1
Поршень является ответственной деталью двигателя внутреннего сгорания. Повреждение или выход поршня из строя приводит к немедленному прекращению эксплуатации двигателя и необходимости проведения трудоемкого и дорогостоящего капитального ремонта. Жаропрочность наряду с жаростойкостью является одной из важнейших эксплуатационных характеристик, определяющих ресурс работы изделий из поршневых сплавов. Недостаточно высокие показатели жаропрочности и коррозионной стойкости служат причинами прогара поршней (рис. 1).
Повысить жаропрочность алюминиевых поршневых сплавов удается путем легирования элементами, образующими тугоплавкие соединения, однако этот метод не всегда оказывается приемлемым с экономической, технологической или экологической точек зрения. В то же время накопление больших количеств возврата (бракованные детали, литники, стружка) поршневого сплава АЛ25 требует разработки эффективных способов его переработки. Технологии получения отливок, ориентированные на первичные
сплавы, в данном случае не всегда эффективны в связи с повышенной загрязненностью отходов различными неметаллическими материалами и железом. Примесные элементы и, в первую очередь, железо образуют комплексные интерметаллидные фазы пластинчатой формы и больших размеров, которые отрицательно влияют на уровень механических свойств. Кроме того, они являются достаточно тугоплавкими, что положительно сказывается на жаропрочности, необходимой для поршневых сплавов. Обладая низким коэффициентом диффузии в алюминии, железо и тугоплавкие фазы на его основе способны значительно повысить жаропрочность данных сплавов и выступить как полезный легирующий элемент. Исходя из этого, с целью повышения уровня механических свойств вторичных сплавов, при сохранении их повышенной жаропрочности, следует изменить форму интерметаллидных включений с пластинчатой на компактную и уменьшить их размеры, что будет соответствовать принципам, заложенным в требованиях к микроструктуре поршневых сплавов.
Рис. 1. Прогар поршня: а - разрушение периферийной зоны; б - разрушение центральной зоны
74/
г: гшшгггта
3 (57), 2010-
В данной работе проводили исследования свойств поршней бензопилы «Мотор Сич - 270» и мотоблока «Мотор Сич МБ - 4,05». Заводская технология приготовления сплава АЛ25 (АК12М2МгН) заключалась в плавлении шихтовых материалов в графитовом тигле в газовой печи с последующим модифицированием расплава фторцирконатом калия K2ZrF6 при температуре 720 °С. Модификатор в количестве 0,5-1,0% от массы шихты засыпали на зеркало расплава с последующим его замешиванием в течение 2-3 мин. Затем проводили отстаивание расплава, удаление шлака и фильтрацию сплава через стеклосетку ССФ2-ССФ3 при переливе в раздаточную печь. Поршни, полученные литьем в кокиль из подготовленного таким образом сплава АЛ25, имели заданный уровень механических свойств и достаточно равномерно модифицированную структуру по всему сечению отливки (рис. 2, а).
Основной зарубежный поставщик поршней на мировой рынок - фирма «Mahle» (Германия), которая разработала шкалу допустимых микроструктур для сплавов, являющихся аналогами АЛ25 (АК12М2МгН) и АЛ30 (АК12ММгН) по ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93). Идеальной с точки зрения данной шкалы является зернистая, размодифицированная структура с компактными ячейками эвтектического кремния на фоне дендритного а-твердого раствора, при этом длина кристаллов первичного кремния не должна превышать 100 мкм.
Структура сплава, полученного по заводской технологии, не является оптимальной согласно рекомендациям фирмы «Mahle». Это подтверждается тем, что в процессе работы поршня, под воздействием циклического действия температуры и давления, структура сплава претерпевает изменения (рис. 2, б). Наблюдается снижение степени
модифицирования по всему сечению поршня, что свидетельствует о недостаточной термической стабильности структуры сплава в его первоначальном состоянии (рис. 2, а, б).
В связи с этим возникала необходимость стабилизации структуры поршня и исключения ее изменений под воздействием рабочих температур. С учетом наследственности алюминиевых сплавов была предпринята попытка получения оптимальной структуры при переплаве 100%-ного возврата поршневых материалов из сплава АЛ25. Идея заключалась в том, что при переплаве модифицированного возврата и небольшого времени его нахождения в жидком состоянии эффект модифицирования не исчезает полностью, а ослабевает, позволяя получать так называемую размодифици-рованную по эвтектическому кремнию структуру, рекомендуемую для поршней фирмой «Mahle». В то же время присутствующие во вторичном сплаве интерметаллидные включения и а-твердый раствор кремния в алюминии необходимо было модифицировать с целью получения фаз компактной формы и небольших размеров. Для решения этих задач был разработан модифицирующий комплекс (МК), основное действие которого направлено на изменение формы, размеров и характера распределения интерметаллидных фаз, эвтектического кремния и а-твердого раствора кремния в алюминии [1]. Кроме того, использование комплекса обеспечивало эффективную рафинирующую обработку расплава от неметаллических включений и растворенных газов.
Была разработана технология рециклинга 100%-ного возврата сплава АЛ25 и проведены экспериментальные плавки с возрастающей присадкой модифицирующего комплекса [1], что в дальнейшем позволило оптимизировать его количество.
а б
Рис. 2. Микроструктура поршня из сплава АЛ25, полученного по заводской технологии: а - до эксплуатации; б - после эксплуатации в течение 100 ч. х100
Свойства сплава AJI25 при комнатной и повышенных температурах, полученного по разным технологическим вариантам
Характеристика материала и дополнительной обработки Механические свойства при 20 °С Твердость НВ после выдержки при 300 °С в течение 100 ч, МПа Время до разрушения при Р = 50 МПа и Т = 300 °С, ч Примечание
ав, МПа НВ, МПа
Заводская технология Первичный сплав AJI25 без модифицирования 210,7 950 570 116°°* Данные карты исследований № 110ц центральной металлографической лаборатории «Мотор Сич» от 02.07.2007 г. Данные журнала «Вестник двигателестроения» № 1, 2008. С. 75-79. * Приведены лучшие значения показателя.
Модифицирование 0,05 % SiC 210,6 1040 728 104"" *
Модифицирование 0,2 % SiC 246,0 1100 770 12100 *
Модифицирование 0,05 % SiC + 0,1 % K2ZrF6 248,0 1040 728 17200 *
Модифицирование 1,2 % SiC +2,4 % K2ZrF6 244,0 1080 756 124°° *
Первичный сплав AJI25 без модифицирования 294,3 1170 - 61°° Данные карты исследований № 203ц от 17.12.2008 г. Протокол № 200 от 09.10.2008 г. лаборатории механических испытаний. Протокол № 478 от 20.10.2008 г. лаборатории жаропрочных испытаний.
Модифицирование 0,05 % А1203 272,0 1340 - 50°°
Модифицирование 0,5 % А1203 307,7 1290 - 61°°
Модифицирование 0,05 % А1203 + 0,2 % K2ZrF6 285,7 1290 - 6530
Модифицирование 0,5 % А1203 + 1,0 % K2ZrF6 287,3 1340 - 36°°
Экспериментальная технология Переплав 100%-ного возврата AJI25 без модифицирования (вторичный AJI25) 259 1085 770 13 845 ** Протокол № 698 от 29.01.2010 г. и протокол № 3 от 18.02.2010 г. механических испытаний лаборатории УГМет ОАО »Мотор Сич». Протокол № 548 от 09.03.2010 г. длительных жаропрочных испытаний лаборатории УГМет. ** Приведены средние значения показателя
Модифицирование 0,05 % МК 1 251 1070 760 1QJ20 «
Модифицирование 0,10 % МК 257 1370 770 22045 **
Модифицирование 0,15 % МК 258 1280 770 4Ц45 **
Модифицирование 0,20 % МК 269 1120 770 24500 «
Модифицирование 0,25 % МК 249 1070 770 2здОО **
Сплав AJI25 по ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93) > 190 >900 - -
Примечание: 1 МК - модифицирующий комплекс [1].
76/
г^г: г: гшшгггта
3 (57), 2010-
Согласно [2], твердость, определенная при 20 °С после выдержки при 300 °С в течение 100 ч, может служить надежным показателем жаропрочности алюминиевых сплавов, поэтому ее измерение должно стать первоочередным фактором контроля. В связи с этим в данной работе были проведены контроль изменения твердости, а также испытания экспериментальных сплавов на длительную прочность по ГОСТ 10145-81 путем определения времени до разрушения образцов при температуре испытаний тисп = 300 °С и нагрузке на образец р = 50 МПа.
Было проведено сравнение результатов испытаний вторичных экспериментальных сплавов с результатами сплавов, полученных на ОАО »Мотор Сич» по заводской технологии (см. таблицу). Из таблицы видно, что экспериментальная технология и разработанный модифицирующий комплекс обеспечивают после рециклинга возврата получение уровня механических свойств, соответствующего требованиям ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93).
В то же время по характеристикам показателей жаропрочности экспериментальные сплавы имели явное преимущество в сравнении с заводскими. Так, время до разрушения экспериментального сплава, обработанного 0,15% МК, при температуре т = 300 °С и нагрузке р = 50 МПа в 2,4 раза превосходило лучший заводской сплав (см. таблицу).
С целью установления причин повышения длительной прочности экспериментальных сплавов были проведены металлографические и фрак-тографические исследования металла после высокотемпературных испытаний. Анализ микроструктур показал наличие соответствия структуры сплавов и их длительной прочности. Для сплава, который имел наибольшее время до разрушения (см. таблицу, технологический вариант № 3), характерна структура с равномерным распределением мелкодисперсных интерметаллидных фаз компактной формы, которые надежно блокируют границы зерен а-твердого раствора кремния в алюминии, а их большое количество совместно
Рис. 3. Микроструктура экспериментального сплава АЛ25, обработанного 0,15 мас.% модифицирующего комплекса, после
испытаний на длительную прочность: а - х200; б - х500.
Рис. 4. Поверхность разрушения образцов из сплава АЛ25: а - без обработки модифицирующим комплексом; б - после обработки 0,15 мас.%о модифицирующего комплекса. х500
с эвтектическим кремнием и небольшие расстояния между собой являются надежными барьерами на пути движения дислокаций, что препятствует высокотемпературному разрушению (см. таблицу, рис. 3). Фрактограммы поверхности разрушения сплавов, обработанных разработанным модификатором, свидетельствуют о повышении энергоемкости разрушения с увеличением температуры испытаний, о чем свидетельствует наличие ямочного рельефа в сравнении со сплавом, необработанным модификатором (рис. 4).
В результате разработаны экспериментальные модифицирующий комплекс и технология реци-
/7ГГТТ^ ГГ ПТГТ(?/7/7гггГГГГТ /77
-3 (57), 2010 I Я И
клинга 100%-ного возврата сплава АЛ25, позволившие добиться за счет получения оптимальной структуры повышения жаропрочности вторичного сплава АЛ25 более чем в 2 раза по сравнению с лучшими заводскими сплавами. Оптимальная присадка модифицирующего комплекса составила 0,15 мас.%. Полученные результаты по твердости, определенной при 20 °С после выдержки при 300 °С в течение 100 ч, не подтвердили утверждение [2], что твердость является надежным показателем жаропрочности алюминиевых сплавов. Установлено, что определяющим фактором жаропрочности сплава АЛ25 служит структурно-фазовое состояние.
Литература
1. Пат. 46094 Украша: МПК (2009) С22С1/00. Модифжувальний комплекс для алюмшевих сплавiв / К. М. Лоза, О. А. Мь тяев, I. П. Волчок.
2 В а с е н и н В. И. Об определении жаропрочности алюминиевых сплавов // Металлургия машиностроения. 2004. № 3. С. 38-40.
