CC BY
110
лодг'тг^ш!
■ffc/ 3 (72), 2013-
УДК 669.74 Пооступила 09.09.2013
И. М. кой ДАН, А. с. ЖУРАВЛЕВ, АХК ВНИИМЕТМАШ им. акад. А. К. Целикова
современные технологии изготовления заготовок поршней для форсированного дизельного двигателя из поршневых алюминиевых сплавов методами тиксоформования
Проведены исследования по определению возможности и перспективности изготовления поршней для форсированного дизельного двигателя из специальных поршневых сплавов с тиксоструктурой методами тиксоформования.
Research has been conducted to determine the feasibility and availability ofpistons manufacturing for forced diesel engine from special piston-alloy with Tix-structure by Tix-formation methods.
Создание средне- и высокооборотных дизелей нового поколения требует решения целого ряда проблем, одной из которых является ужесточение условий работы теплонапряженных деталей двигателей - поршней и клапанов механизма газораспределения, работающих в настоящее время на пределе возможностей современных материалов Современные пути решения этой проблемы заключаются в разработке и создании новых материалов и новых технологий для материалов существующих . Такими материалами и технологиями являются композиционные гранульные материалы и технологии тиксоформования различных сплавов, в первую очередь, на основе титана и алюминия, позволяющие значительно повысить эксплуатационные свойства изделий и приобретающих в последние годы широкое распространение в передовых в промышленном отношении странах
В настоящей работе проведены исследования по определению возможности и перспективности изготовления поршней для форсированного дизельного двигателя из специальных поршневых сплавов с тиксоструктурой методами тиксоформо-вания
Тиксоформование - новая технология производства точных заготовок с высокими механическими и служебными свойствами основана на эффекте тиксотропности, который заключается в аномально высокой жидкотекучести металлов и сплавов, имеющих глобулярную (не дендритную) микроструктуру первичной фазы кристаллов Свойство тиксотропности позволяет методами литья под давлением или объемной штамповки получать
изделия весьма сложной формы без дефектов литья и штамповки, с мелкозернистой, равномерно распределенной глобулярной структурой, обеспечивающей значительное повышение механических характеристик, либо снижение массы изделий при той же прочности
Экспериментальные исследования по тиксо-штамповке модельных образцов поршней с тиксо-структурой проводили с алюминиевым сплавом АК12М2МгН (АЛ25) . В табл . 1 приведен химический состав, в табл 2 - паспортизованные механические свойства сплава
Таблица 1. Химический состав литейных и деформируемых сплавов, мас.%, используемых в качестве поршневых или планируемых к использованию
Сплав Fe Si Mn Ni Ti Cu Cr Pb Mg Zn Sn Al
АЛ25 до 11- 0,3- 0,8- 0,05- 1,5- до 0,8- до до ост.
0,8 13 0,6 1,3 0,2 3,0 0,1 1,3 0,5 0,02
Таблица 2. Механические свойства сплавов, используемых в качестве поршневых
Сплав аВ, МПа □ 100ппп, МПа 8, % НВ
АЛ25 195-220 50-60 0,3-0,8 90,2-96,0
Заготовки с тиксоструктурой для штамповки поршней были получены методом разливки по наклонному водоохлаждаемому желобу в стальной тонкостенный стакан На рис 1 представлена микроструктура тиксозаготовки из литейного сплава АЛ25 после длительного (50 мин) повторного на-
Рис . 1. Микроструктура тиксозаготовки из литейного сплава АЛ25 после 50 мин повторного нагрева в атмосфере аргона до температуры 550 °С
грева в защитной атмосфере аргона до выбранной температуры тиксоштамповки (550 °С) и последующей закалки в воду
Модельные образцы поршней с тиксострукту-рой изготавливали в три этапа: нагрев тиксозаго-товок до твердо-жидкого состояния; штамповка на гидравлическом прессе 4 МН; термообработка полученных изделий .
Нагрев тиксозаготовок перед штамповкой проводили в муфельной печи сопротивления мод . ЮТ-
/;ггг:с г: г^штггт: / до
-3 (72), 2013/ ЧУ
217 «ЮНИТЕРМ», оснащенной программируемым устройством поддержания температуры . Контроль температуры нагрева заготовок осуществляли за-чеканенными в заготовку кабельными термопарами мод . ТП-К 0321-И-1,5-1250 ХА, 2 кл . фирмы «Обнинская электрическая компания» в комплекте с измерительным прибором мод . «CENTER-209» . Для наиболее полной изоляции от кислорода нагрев тиксозаготовок проводили в инертной среде аргона На первом этапе на основе рекомендуемой температуры нагрева по результатам анализа калориметрических кривых экспериментально определяли фактическую температуру нагрева тиксозаго-товок до требуемого твердо-жидкого состояния, соответствующего 50%-ному соотношению твердой и жидкой фаз, а также величину допустимого интервала нагрева
Температуру печи поддерживали в пределах 750-760 °С. Требуемую твердо-жидкую консистенцию тиксозаготовки определяли по следующим признакам:
• свободное внедрение в тиксозаготовку острого металлического предмета типа шила при неизменной форме заготовки;
• изменение формы тиксозаготовки в виде оседания ее нижней части в виде «слоновьей ноги»,
Рис . 2 . Чертеж модельного образца поршня
л л ir, гяьъг; ктмттъ
ЧЧ / 3 (72), 2013-
Рис . 3 . Чертеж штамповой оснастки
что соответствует предельному содержанию жидкой фазы в заготовке, при котором материал сохраняется в виде суспензии с равномерным распределением первичных кристаллов в эвтектике и транспортабельном состоянии
Результаты экспериментов приведены в табл 3
В качестве модельного образца поршня выбран поршень компрессора ДРЦ-85 как наиболее подходящий по размерам для проведения штамповки, регистрации параметров и последующего изготовления образцов для испытаний (рис 2)
Штамповая оснастка, спроектированная и изготовленная для штамповки поршня, показана на рис . 3 .
Нагрев штамповой оснастки перед штамповкой осуществляли устройством, оснащенным двумя жидкостными горелками на дизельном топливе мод . «GIERSCH R1-V(L)» и контролировали кабельной термопарой указанного выше типа, установленной в матрице штамповой оснастки с выводом показаний на блок измерения технологических параметров и последующей записью на компьютер . Требуемую температуру нагрева штампо-вой оснастки (матрицы и пуансона) определяли проведением пробных штамповок тиксозаготовок
В результате проведенных экспериментов и анализа записей параметров штамповки установлено:
• температура нагрева тиксозаготовок должна соответствовать данным, приведенным в табл . 3;
• температура матрицы штампа - 300-330 °С,
• температура пуансона - 320-350 °С .
Время передачи нагретой тиксозаготовки в
штамп в сумме со временем включения хода пресса не должно превышать 5 с
Усилие деформирования должно обеспечивать уровень удельных усилий штамповки не ниже 70 МПа (7 кг/мм2), что соответствует величине давления в главном цилиндре пресса 3,5 МПа (35 кг/см2) .
Скорость деформирования - 40 мм/с . Минимальное время выдержки под давлением - 25 с .
При соблюдении перечисленных выше величин параметров штамповки получены штампованные модельные образцы заготовок поршней без внешних дефектов (рис 4)
В случае нарушения какого-либо параметра изделие получается с дефектами в виде незаполнения формы штампа, продольных трещин по юбке поршня, раковин и прочих дефектов (рис 5)
Рис . 4 . Штампованные модельные образцы заготовок поршней
Таблица 3 . Температура нагрева тиксозаготовок под штамповку
Сплав Рекомендуемая температура нагрева, °С Экспериментально установленная температура нагрева, °С Допустимая погрешность температуры нагрева
АК12М2МгН (АЛ25) 555-560 565 ±2
Свойства АК12М2МгН (АЛ25)
Температура ликвидуса и солидуса, °С 574-508
Средний коэффициент линейного термического расширения а = (1 • Ю-6 /°С) в интервале температур, °С: 0-100 19,3
0-200 20,9
0-300 21,4
Теплопроводность, кал/(смс°С), при 25 °С 0,38
Плотность, г/см3 2,75
Коэффициент остаточного роста диаметральных размеров поршня 7,6 10-4
/;ггг:с г г^штггт: /дс
-3 (72), 2013/ чи
Проведенные испытания дают возможность провести сопоставление механических характеристик материала сплава, полученного тиксоформо-ванием и материала сплава, полученного по классическим технологиям. Сравнительные результаты приведены в табл. 5.
Таблица 5. Сопоставление механических характеристик сплавов, полученных тиксоформованием и по классическим технологиям
Рис. 5. Дефекты модельного образца поршня (незаполнение гравюры штампа и трещины)
Дальнейшую термообработку модельных образцов поршней проводили по режиму Т6 - гомогенизация 6 ч при Т = 515 °С, закалка в холодную воду + старение при Т = 200 °С, 8 ч. После проведения термообработки изучали физико-механические свойства материала отштампованных изделий.
Физические свойства материала модельных образцов поршня с тиксоструктурой приведены в табл. 4.
Таблица 4. Физические свойства материала модельных образцов поршня с тиксострутурой
Материал МПа s0.2. МПа Твердость HB Относительное удлинение, %
Кремний-алюминиевый сплав АЛ25 (Т6) тиксо-структура (штамповка) 285302 263286 140155 5,0-6,4
дендритная структура (жидкая штамповка) 250 240 120 0,85
Выводы
Установлено, что механические свойства штампованного материала с тиксоструктурой у экспериментальных модельных образцов поршней превышают механические свойства аналогичного материала с дендритной структурой в 1,1-1,2 раза, а по пластичности - в 5 раз. Твердость изучаемых сплавов в тиксоштампованных деталях также значительно превышает твердость сплавов того же состава, достигаемую в других способах формообразования.
Данный анализ позволяет сделать вывод, что технология тиксоформования рассмотренных сплавов является весьма перспективной для изготовления тронка поршня высоконагруженных дизелей. Для дальнейшего изучения возможности применения тиксотехнологий при изготовлении поршней рекомендуется проведение стендовых испытаний тронка поршней для модернизируемых дизелей.
