CC BY
17
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип.№14
УДК 621.791.927.5
Серенко В.А.1, Зусин В.Я.2
ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ПОРШНЕЙ
Показано, что для упрочнения и восстановления алюминиевых поршней двигателей внутреннего сгорания наиболее перспективным способом является дуговая наплавка порошковыми электродами. Рассмотрено влияние различных легирующих элементов на свойства наплавленного металла.
В современных двигателях внутреннего сгорания, работающих при форсированных режимах, частой причиной выхода из строя алюминиевых поршней является формоизменение поверхностей кольцевых канавок, взаимодействующих с компрессионными кольцами [1-3]. Формоизменение канавки является результатом проявления двух основных процессов: ударно-абразивного износа и пластической деформации (циклической ползучести) при воздействии коррозионной среды и достаточно высокой температуры (до 570 К).
Несмотря на большое число публикаций по рассматриваемой проблеме, остаются малоизученными в теоретическом и практическом аспектах принципы оптимизации как самих материалов для упрочнения, так и технологических параметров их нанесения на новые или отработавшие поршни. Это сдерживает эффективное промышленное использование способов упрочнения и восстановления.
Перспективным способом упрочнения поршневых сплавов является дуговая наплавка порошковым электродам, позволяющая получить металл зоны упрочнения с необходимыми свойствами.
При разработке электродов (в том числе и порошковых) для упрочнения наплавкой локальных зон поршней, целесообразно воспользоваться положительным опытом синтезирования поршневых сплавов, обладающих жаропрочностью, твердостью и износостойкостью в течении длительного срока эксплуатации двигателя [4].
Целью настоящей работы является обоснование принципов легирования и модифицирования наплавляемого на алюминиевые поршни металла с улучшенными характеристиками.
Рассмотрим наиболее важные принципы регулирования свойств алюминиевых сплавов, таких как жаропрочность, твердость и т.д.
Начало развитию теории жаропрочности алюминиевых сплавов было положено трудами акад. Курнакова Н.С. и его сотрудников [5].
Основными факторами, определяющими работоспособность алюминиевых сплавов при высоких температурах, являются: состав, фазовое и структурное состояние, величина температуры и напряжений. Влияние на жаропрочность структурных факторов сравнительно легко можно изучить и часто оно поддается количественной оценке.
Важнейшими структурными факторами являются: величина зерна твердого раствора, протяженность и состояние их границ; количество и характер распределения дефектов кристаллической решетки и их взаимодействие между собой и с атомами легирующих элементов; количество, величина и форма кристаллизации частиц вторых фаз, их расположение, а также и их взаимодействие с твердым раствором в процессе нагрева; устойчивость твердого раствора, скорость формирования и укрупнения продуктов его распада; количество, температура и форма кристаллизации эвтектики.
Следует также отметить большое влияние на жаропрочность литейных алюминиевых сплавов ряда технологических факторов (например, режимы термической обработки), которые могут сильно изменять как фазовый состав, так и величину и характер расположения структур-
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
ных составляющих металла поршня. Изменяя те или иные технологические параметры, можно воздействовать как на структурные, так и на физико-химические характеристики сплава, что в определенных пределах обуславливает изменение его жаропрочности [5].
На повышение жаропрочности алюминиевых сплавов наиболее существенно влияют металлические соединения, в состав которых входят переходные металлы: А16Мп, А17Сг, АкРсЫк А112Мп2Си, А16Сиз№ и др. Эти соединения устойчивы при повышенных температурах, мало взаимодействуют с твердыми растворами, их частицы не склонны к укрупнению и коагуляции.
В значительной мере жаропрочность алюминиевых сплавов определяется структурой эвтектики и температурой ее плавления. Наиболее благоприятна разветвленная форма кристаллизации устойчивых соединений, входящих в состав эвтектики. Этим обеспечивается надежное блокирование зерен твердого раствора. В системе А1-Си-№ такой эвтектикой может являться тройная эвтектика а + А13(Си№)2 + А16Сиз№, а также сложные эвтектики, содержащие разветвленные тройные и четверные фазы типа: А^МщСг, А14СиСг, А14Си8СгМп.
Экспериментальные данные показывают, что сравнительно жаропрочными могут быть лишь те сплавы, которые отвечают по составу устойчивым первичным твердым растворам, комплексно легированным элементами с низким коэффициентом диффузии. К таким элементам относятся металлы переходной группы. Однако повышенной жаропрочностью обладают также сплавы эвтектического состава - АЛ 25, АЛ 26, АЛ 30.
Все изложенные здесь принципы регулирования прочностных свойств алюминиевых сплавов могут быть реализованы при упрочнении поршней в зоне канавки посредством наплавки. Следует, однако, подчеркнуть, что возможностью достаточно широкого регулирования структурно-фазового состава наплавленного металла обладают лишь способы наплавки порошковым электродом. С помощью порошкового электрода (плющенки) можно создавать наплавленный металл не только равнопрочный поршневому, но и со значительно улучшенными эксплуатационными характеристиками [6].
Помимо обеспечения требуемого состава наплавленного металла порошковые электроды должны обладать хорошими сварочно-технологическими свойствами, т.е. процесс наплавки должен протекать устойчиво с минимальным разбрызгиванием, наплавленный металл должен быть плотным, однородным и т.д. Таким образом, при проектировании порошковых электродов необходимо учитывать многие параметры, что вызывает необходимость выполнения системных исследований.
Сравнительные испытания, позволяющие отобрать лучшие варианты наплавочных материалов и технологических процессов их нанесения, целесообразно проводить на специализированных лабораторных установках. С этой целью предложен способ, позволяющий производить испытания материалов на ударно-абразивный износ, используя комплекс изменяемых режимов и нагрузок без сложной переналадки и изменения конструкции оборудования [7].
При одновременном воздействии на наплавленный металл трения-скольжения и удара общее (интегральное) формоизменение происходит вследствие износа его поверхности (ДАм) и упругопластического деформирования (ДАе)
ДАн=ДАн+ДАе (1)
Для оценки стойкости наплавленного металла формоизменению целесообразно пользоваться относительными критериями, принимая в качестве единицы сравнения стойкость основного металла. Тогда относительные критерии можно определить по зависимостям:
( KU \
=
1-
АА.
( KU \
1-
ди
_U)
ДА..
( KU Л
Е_____=
1-
ДА
(2)
V О J V И О J
где SomH, 1отн, Еотн - относительные критерии формоизменения: интегральный, износа и деформационный соответственно.
Для получения наплавленного металла с характеристиками, не уступающими поршневым сплавам были проведены эксперименты по выявлению влияния различных легирующих элементов на химсостав и свойства в условиях реальной наплавки. Это было связано с необходимостью уточнения степени перехода элементов из шихты в наплавленный металл, влияние изменения того или иного легирующего элемента на изменение механических свойств наплавленного металла. С этой целью были изготовлены порошковые электроды с различным содер-
жанием легирующих элементов: 81, Мп, Си, N1. За базовый был принят следующий состав легирующих в шихте: 81 - 75%, Мп - 9 %, Си - 14%, N1 - 14%. Было изготовлено четыре серии порошковых электродов (см. таблицу) с коэффициентом заполнения К3= 0,30.
Таблица - Содержание легирующих элементов в шихте, наплавленном металле и свойства наплавки
№ Эле- Содержание элемента, % вес. Твердость наплавленного металла, НВ, кг/мм2 Относительная износостойкость J о/
серии мент В шихте В наплавленном металле При Т=293К При Т=523К При Т=293К При Т=523К
70,2 9,5 97 47 18 7
I Si 73,2 10,0 100 54 25 18
77,5 10,9 108 56 57 32
79,2 13,3 115 60 68 46
3,45 0,41 102 55 13 4,5
II Мп 6,58 0,51 106 57 14 12
11,25 0,64 92 51 16 10
15,0 0,75 93 54 18 14
7,5 0,94 95 52 18 21
III Си 10,9 1,15 107 54 37 40
14,0 1,27 108 56 46 48
24,5 1,66 116 66 54 60
4,65 0,98 106 57 15 17
IV Ni 13,2 2,5 101 63 18 24
15,4 3,00 100 65 20 48
23,2 5,20 98 68 37 57
Наплавку производили дуговой сваркой плавящимся электродомв среде аргона на постоянном токе обратной полярности в канавки поршней из АЛ 25 на режиме: 1св = 250 А; II,, = 18 В; скорость наплавки V,, = 30 м/ч. Из наплавленного металла вырезались темплеты для изготовления плоских образцов, на которых производились испытания износостойкости и замеры твердости по Бринелю при Т = 293 К (20 °С) иГ= 523 К (250 °С).
Химический состав наплавленного металла и количественное содержание легирующих определялись методом спектрального анализа. Результаты измерения твердости и содержания элементов приведены в таблице.
Содержание легирующих элементов в наплавленном металле в зависимости от их содержания в шихте показывает (табл.). На основании полученных зависимостей были построены кривые и определены коэффициенты перехода элементов из шихты в металл наплавки. Полученные значения коэффициентов перехода использованы для корректировки расчета шихты и оптимизации состава электрода.
На основании полученных зависимостей появилась возможность прогнозирования состава металла наплавки при изменении содержания ингредиентов шихты.
В качестве оценочных характеристик свойств наплавленного металла была принята величина его "холодной" (20 °С) и "горячей" (250 °С) твердости и относительная износостойкость при повторно-статическом трении по разработанной нами методике.
Полученные зависимости влияния легирующих элементов шихты на твердость металла наплавки приведены на рис.1. С увеличением кремния и меди (рис.1,а, в) наблюдается значительное увеличение твердости при нормальной и повышенной температуре . Иначе изменяется твердость наплавленного металла при увеличении содержания никеля и марганца. Для последнего характерно некоторое увеличение твердости при увеличении Мп до 0,5% и незначительным снижением ее при дальнейшем увеличении содержания Мп.
По разному изменяется "холодная" и "горячая" твердость при увеличении в наплавленном слое никеля (см. рис. 1,6). Важно, что "горячая" твердость возрастает с увеличением содержания никеля. Это объясняется тем, что никельсодержащая фаза способствует упрочнению границ твердого раствора.
Для определения износостойкости наплавленного металла использовались плоские образцы размером 2x10x25 мм. Исследования проводились на установке для ударно-абразивных испытаний [7] при следующих параметрах режима: амплитуда относительного перемещения (размах цикла) - 0,5 мм; сила прижатия контртела к образцу -250 Н (нормальное удельное давление в контакте - 12,5 МПа); абразивная прослойка в зоне трения - масло с добавкой 5% кварцевой пыли; частота подачи капель масла в зону трения - 1 капля в минуту; общее время испытаний - 100 часов. Результаты испытаний для двух легирующих элементов представлены на рис. 2.
Известно, что для повышения механических характеристик алюминиевых сплавов необходимо вводить модификаторы, изменяющие микроструктуру эвтектической фазы Al-Si [8], из которых наиболее активными являются стронций, цирконий, фосфор.
В предварительных опытах в базовый состав порошкового электрода вводился цирконий в виде фторцирконата калия (K2ZrF6) в количестве от 1,5 до 8 %. Спектральный анализ показал, что в наплавленном металле содержится циркония от 0,12 до 0,17%.
На основании опытных данных получены зависимости содержания Zr в наплавленном металле от содержания фторцирконата калия в шихте порошкового электрода (рис. 3,а), а на рисунке 3,6 приведены зависимости '"холодной" и "горячей" твердости и относительной износостойкости от содержания Zr в наплавке. Как видно из рисунка введение циркония в наплавку значительно повышает твердость и износостойкость. что объясняется измельчением
нв,
кГ/мм2 115
100
85
70
55
40
НЕ.
кГ/мм'
115 100 85 70 55 40
1
..-а JL,
9 10 11 12 13 Si,0/ а
Ч1
л— Л
о- ег
0,8 1
нв,
кГ/мм2 115
100 85 70 55 40
(
нв,
кГ/мм2
115 100 85 70 55 40
1
А» 2 Ж
1,5 3 4,5 6 Ni,0/
1
2 /
О _0
1,2 1,4 1,6 Cu,0/ в
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Мп,с г
Рис. 1 - Влияние легирующих элементов на твердость наплавленного металла: 1- при температуре 293 К, 2 - при температуре 523 К (а - 81; б - № ; в - Си; г - Мп)
Рис.2 - Влияние Si (а) и Си (б) на относительную износостойкость: 1-при температуре 293 К; 2-при температуре 523 К
структуры и более равномерным распределением твердых включений по объему наплавленного металла.
75 60 45 30 15 0
HB, кГ/мм2 90 80 70 60 50 40 '1
J1
4 >1
"* з. -И ___— ,—-41
2
f
0,12
0,14
0,16 Zr,%
0 2 4 6 К2 Ъх Б6,%
Содержание в шихте
а б
Рис. 4 - Зависимость содержания Ъх в наплавленном металле от содержания К^гБб в шихте (а) и влияние Ъ г на механические свойства наплавленного металла (б): 1,2- НВ; 3, 4 - 1отн (1, 3 - Т = 293 К; 2, 4 - Г = 523 К)
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать обобщающие выводы о влиянии различных легирующих элементов и модификаторов на механические свойства наплавленного металла, что будет учитываться при разработке новых порошковых электродов.
Выводы
1. Регулирование в широких пределах физико-механических свойств и структурно-фазового состава наплавленного металла, наносимого на алюминиевые поршни, достижимо лишь при использовании порошковых электродов.
2. Показано, что наиболее эффективными легирующими элементами, вводимыми в наплавленный металл через порошковый электрод, которые определяют оптимальные служебные характеристики поршней, являются кремний, медь и никель.
3. Установлено, что модифицирование металла наплавки является необходимым условием получения более работоспособных сплавов при нормальных и повышенных температурах.
Перечень ссылок
1. Лызо Г.П. Тракторы, автомобили, двигатели / Г.П. Лызо, А.П. Лызо, В.А. Лозовский. - М.: Высшая школа, 1968 - 500 с.
2. Канарчук В.Е. Долговечность и износ двигателей при динамических режимах работы / В. Ii. Канарчук. - К.: Наукова думка, 1978,- 256 с.
3. Шсшагt А.Н. Исследование износа канавок алюминиевых поршней форсированных дизелей /
A.Н. Шалай // Тр. ЦНИДИ,- 1979,- Вып.76,- С. 74-77.
4. ЗшъбергЮ.Я. Алюминиевые сплавы в тракторостроении / Ю.Я. Зилъберг, K.M. Хрущева, Г.Б. Геришан. -М.: Машиностроение, 1971,- 152 с.
5. Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов / И. Ф. Колобнев. - М.: Металлургия, 1973,- 320 с.
6. Зусин В.Я. Новые порошковые наплавочные материалы для восстановления деталей из алюминиевых сплавов / В.Я. Зусин, Л.А. Глозман, А.Н. Кабанец // Сварка цветных металлов. -Киев: Наукова думка, 1989,- С. 50-52.
7. Серенко В.А. Работоспособность цилиндро-поршневой группы двигате лей и совершенствование методики ее оценки / В.А. Серенко, В.Я. Зусин II Вестник Приазовского гос. техн. унта: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1998,- Вып. 6. - С. 175-179.
8. Бондарев Б.И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов / Б.И. Бондарев,
B.И. Номалков, В.И. Тарарышкин. - М.: Металлургия, 1979. - 224 с.
Статья поступила 05.03.2004
