CC BY
47
ГсГГТТгГ, гг птг^ггглг.тггггя
-3 (52). 2009
/л
Технология, оборудование, САПР О экология литейного производства
The paper present the results obtained when investigating fabri-^\ cation of castings for pistons of high-augmented diesel internal combustion engine. The optimum casting parameter ranges are determined. The development is made of piston construction with combined insert that ensures production of castings of high-loaded pistons with a cavity (gallery) for oil cooling of upper piston ring zone and enhancement of installation zone of upper piston ring.
м. А. САДОХА, ОАО «БЕЛНИИЛИТ», А. Т. ВОЛОЧКО, ГНУ «ФТИ HAH Беларуси», В. В. ОВЧИННИКОВ, ПРУП«ММЗ»
УДК 621.43
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ПРОИЗВОДСТВА ПОРШНЕЙ
ДЛЯ ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Перед моторостроителями стоит задача создания экологически чистых и экономичных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), соответствующих современным нормам. Практически все варианты решения данной проблемы связаны с существенным повышением рабочих температур в камере сгорания. Это в свою очередь непременно сопровождается увеличением термической нагрузки на верхнюю часть поршня. Поршень -одна из самых важных и напряженных деталей двигателя. Он выдерживает механические нагрузки от сил движения газов и сил инерции, а также тепловые нагрузки от соприкосновения днища с горячими газами и трения его боковой поверхности о стенки цилиндра [1]. Традиционно в силу физико-механических свойств материала для изготовления поршней современных ДВС используют сплавы на основе алюминия, прежде всего сплавы системы алюминий-кремний (силумины) с добавками различных легирующих элементов.
Известно, что максимальные температуры поршней, изготовленных из силуминов, не должны превышать 300 °С, так как дальнейшее увеличение температур ведет к резкому уменьшению физико-механических свойств поршневого сплава. Таким образом, можно говорить о том, что резервы дальнейшего повышения характеристик двигателя внутреннего сгорания с использованием традиционных схем и материалов в значительной мере исчерпаны.
Кроме того, перегрев верхнего поршневого кольца может привести к термической деструкции масла, закоксовыванию кольца, потере им вследствие этого своих служебных характеристик (подвижности) и, как следствие, к быстрому выходу двигателя из строя.
Основные пути обеспечения работоспособности поршней в таких условиях:
• упрочнение поршня в зоне размещения верхнего поршневого кольца, что обеспечит сохранение геометрических параметров канавки под кольцо в условиях повышенных механических нагрузок;
• интенсификация охлаждения зоны размещения верхнего поршневого кольца, что эффективно нейтрализует усиление теплового потока через элементы конструкции поршня и позволяет сохранять температуру указанной зоны в допустимом диапазоне;
• сокращение теплового потока через элементы конструкции поршня за счет создания теплового барьера на поверхности поршня (в данной работе не рассматривается);
• повышение физико-механических антифрикционных свойств алюминиевого сплава при температурах работы поршня.
Для увеличения стойкости поршня в районе канавки под верхнее поршневое кольцо широкое применение получило использование упрочняющей кольцевой вставки, которая в процессе литья посредством ряда технологических приемов сваривается с основным материалом отливки. Наиболее часто в мировой практике используют вставки, которые изготавливают из высоколегированного аустенитного чугуна - нирезиста, содержащего 14-18% №, 6-5% Си, 1,5-2,6% Сг, 2,5-3% С, 2-3%Бь до 0,5%Р, 0,5-1% Мп, Ре - остальное [2].
Принято [2], что для обеспечения прочной металлической связи между поршневым сплавом и вставкой последнюю необходимо подвергать специальной обработке - алитированию. В процессе алитирования на поверхности вставки обра-
70/ дрдас rr гтштг-ш
Ш£ш1 3(52), 2009-
2 3 4 Время алитирования, мин
Рис. 1. Влияние времени и температуры алитирования на толщину переходного диффузионного слоя: # - Т = 670 °С; □ -710; Л-750; А-790 °С
Рис. 2. Влияние времени и температуры алитирования на содержание железа в сплаве алитирования: • - Т = 700 °С;
□ - 750; А - 800 °С
зуется переходный слой, состоящий из диффузионного слоя, на поверхности которого находится тонкий слой жидкого алюминиевого сплава, имеющий прочную связь с диффузионным слоем. Оптимальной толщиной переходного слоя для обеспечения наилучшей связи вставки с основным материалом поршня принято считать 1030 мкм. Толщина, строение и состав переходного слоя зависят от состава сплава алитирования и других факторов.
Температура является важнейшим технологическим параметром, влияющим как на процесс алитирования, так и на оптимальный срок использования сплава для алитирования.
Установлено (рис. 1), что увеличение времени алитирования приводит к росту толщины переходного диффузионного слоя до определенного уровня с последующей стабилизацией. Увеличение же температуры расплава алитирования приводит к более интенсивному росту толщины переходного диффузионного слоя и установлению ее равновесного размера на более высоком уровне.
Вместе с этим определено, что увеличение времени алитирования сопровождается более интенсивным насыщением сплава алитирования железом (рис. 2).
Это можно объяснить тем, что при увеличении времени контакта комбинированной вставки с расплавом алитирования большее количество железа успевает прореагировать с алюминием и из наружных слоев переходного слоя перейти в расплав.
Установлено, что увеличение количества железа в сплаве алитирования отрицательно сказывается на качестве переходного диффузионного слоя, о чем косвенно можно судить по изменению прочности сцепления алюминиевого сплава с ни-резистовой вставкой в процессе получения отливок (рис. 3).
Важным элементом исследований является определение оптимальных технологических условий формирования переходного слоя. При этом главным критерием оценки выступает качество сваривания поршневого сплава с комбинированной вставкой. Косвенно качество сваривания может быть оценено по прочности сцепления поршневого сплава с комбинированной вставкой (рис. 4).
Как видно из рисунка, оптимальной толщиной переходного алитированного слоя можно считать 10-20 мкм.
Содержание железа в сплаве алитирования, %
7ík)
Температура сплава
алтированим, °С
Рис. 3. Влияние содержания железа в сплаве алитирования и его температуры на прочность сцепления нирезиста со сплавом (время алитирования 2 мин)
5 10 15 20 25 Толщина переходного слоя, мкм
Рис. 4. Влияние толщины переходного алитированного слоя и времени выдержки до заливки алитированной вставки сплавом на прочность сцепления вставки со сплавом: ♦ —10 с; ■-20 с; А-30с
лгптг^ гг тшйштш /то
-3 (52), 2009 I Я 11
Такую толщину слоя можно получить при алитировании вставки в течение значительного диапазона времени в зависимости от температуры алитирования (см. рис. 1). Установлено, что слишком высокая температура алитирования резко уменьшает время насыщения сплава железом и ухудшает качество алитирования (см. рис. 2, 3).
Исходя из анализа полученных результатов, можно определить параметры (см. таблицу) как оптимальные для алитирования комбинированной вставки из нирезиста (состав 14-18% N1, 6-5% Си, 1,5-2,6% Сг, 2,5-3% С, 2-3%&, до 0,5%Р, 0,51% Мп, Бе - остальное) в сплаве алитирования (АК12М2МгН (АЛ25)).
Таблица
Параметр Значение
Температура алитирования, °С 740-760
Время алитирования, с 90-150
Содержание железа в сплаве алитирования, % Не более 2
На рис. 5 показана микроструктура вставки, алитированной по оптимальному режиму и залитой алюминиевым расплавом.
К мероприятиям, направленным на улучшение структуры и свойств поршневых алюминиевых сплавов, следует отнести обработку покровно-рафинирующими флюсами [3]; продувку расплава инертными газами [4]; комплексную обработку субмикронными и нанодисперсными упрочните-лями алюминиевой матрицы [5, 6].
Последние мероприятия в большей степени позволяют устранить дендритную структуру поршневого сплава (рис. 6), обеспечить повышение микротвердости как а-твердого раствора, так и эвтектики, улучшить эксплуатационные характеристики материала в целом. Измельчение размера керамических фаз представляется на стадии получения порошков, их механической актива-
Рис. 5. Микроструктура вставки, алитированной по оптимальному режиму и залитой алюминиевым расплавом: 1 -алюминиевый сплав; 2 - переходный слой; 3 - нирезист
ции, а также при реакционном литье, когда измельчение фаз достигается во взаимодействии вводимых частиц с алюминиевым расплавом и газами [6].
Проведенные исследования и моделирование процессов охлаждения зоны верхнего поршневого кольца в поршне (рис. 7) свидетельствуют о значительном влиянии способа и места подвода теплоносителя в поршень на разогрев различных элементов поршня.
В результате анализа полученных данных установлено, что наиболее рациональным вариантом как с точки зрения условий охлаждения, так и по технологическим причинам можно считать вариант с применением охлаждающего канала, соприкасающегося с нирезистом [5].
Дополнительно проведенные исследования и технологические работы позволили получить патент на полезную модель «Поршень для двигателей внутреннего сгорания с галерейным охлаждением» [7]. Важнейшей составляющей технологии получения детали «Поршень» является техноло-
Шэвтектика Г~ } твердый раствор
а б в
Рис. 6. Микроструктура исходного сплава АК12М2,5МгН и композита на его основе, армированного ВН, подвергнутого
механической активации в аттриторе
в г
Рис. 7. Распределение температурных полей в теле поршня: а - без охлаждения; б - с охлаждающим каналом из стали 08 кп и нирезиста; в - с охлаждающим каналом из нирезиста; г - с безоболочковым охлаждающим каналом
Рис. 8. Фрагменты отдельных этапов заполнения формы расплавом при оптимальных параметрах кокиля: 1, 2, 3 - стадии
заполнения кокиля расплавом
гия получения отливки. Установлено, что наиболее приемлемой технологией получения отливок поршней является литье в кокиль. В связи с тем что отливка «Поршень» является крайне неравно-стенной с наличием значительных перепадов по толщине стенок и больших массивов в определенным зонах, установлено, что водяное охлаждение рационально применить отдельно для некоторых элементов отливки. К таким местам следует отнести днище поршня с внутренней стороны поршня; бобышки под поршневой палец; головку поршня.
Причем для каждого элемента, как установлено в результате моделирования в среде РгоСАЗТ,
требуется различное время охлаждения и разная интенсивность потока воды.
На рис. 8 показаны фрагменты моделирования отдельных этапов заполнения формы расплавом при оптимальных параметрах кокиля для обеспечения формирования качественной отлизки поршня без усадочных и воздушио-газояых дефектов с каналом масляного охлаждения и нирезистовзй вставкой под верхнее компрессионное кольцо.
Анализ результатов моделирования свидетельствует о ламинарном характере заполнения формы, что гарантирует отсутствие воздушно-газовых дефектов в отливке. При этом принятая лит-
/;шгГ: г: ¡тпшшт /тк
-3(52), 2009 I Ш V
7 2 3
Рис. 9. Моделирование процесса кристаллизации отливки «Поршень»: 1, 2, 3- стадии кристаллизации отливки
никовая система позволяет провести заполнение в достаточно короткое время - это особенно важно для обеспечения сваривания нирезистовой вставки с алюминиевым сплавом.
При моделировании различных вариантов кристаллизации отливки установлено, что оптимальная исходная температура кокиля 200 °С. Наличие водяного охлаждения дает возможность интенсифицировать процесс производства отливок и стабилизировать тепловой режим кокиля на нужном уровне. При этом моделирование показало, что в случае производства отливок поршней наиболее оптимальным режимом водяного охлаждения является периодическое охлаждение, включаемое сразу после заполнения формы расплавом и прекращаемое через определенный промежуток времени.
Одновременно следует отметить достаточно малый объем литниковой системы и прибыли. Это оказывает положительное влияние на экономические показатели процесса получения отливок поршней в кокилях с выбранными параметрами.
На рис. 9 показан процесс кристаллизации отливки «Поршень» в результате моделирования по
наиболее рациональному варианту. Причем для наглядности процесса на изображениях показана только остающаяся в отливке в процессе кристаллизации жидкая фаза.
Как видно из рисунка, в процессе кристаллизации отсутствуют оставшиеся замкнутые объемы жидкой фазы, что свидетельствует о направленности процесса кристаллизации и, как следствие, формировании плотной структуры отливки без наличия усадочных дефектов. Последние элементы жидкой фазы наблюдаются в прибыльной части отливки.
Таким образом, можно говорить о теоретическом подтверждении правильного выбора параметров кокиля, которые будут обеспечивать получение отливок поршней высокого качества.
Таким образом, в результате проведенных исследований определены основные параметры технологии получения отливок поршней, выполнен анализ теплофизических процессов, протекающих как при формировании отливки, так и при последующей работе поршня. Создана и защищена патентом конструкция поршня с галерейным охлаждением.
Литература
1. А ф а н а с ь е в В. К., Гладышев С. А., Е ф и м е н к о Б. С. и др. Поршневые силумины. Кемерово: Изд-во «Полиграф», 2005.
2. Овчинников В. В., Жданович О. Е., Ласковнев А. П. Производство алюминиевых поршней для высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания. Гомель: ИММС НАН Беларуси, 2003.
3. Немененок Б. М., Задруцкий С. П., Бежок А. П., КудравецН. И. Оценка экологической безопасности процессов плавки и внепечной обработки алюминиевых сплавов// Литье и металлургия. 2008. № 3. С. 171-174.
4. Краев Б. А., С а д о х а М. А., Мельников А. П. и др. Технология и оборудование для литья поршней // Литье и металлургия. 2001. № 4. С. 52-54.
5. Комаров А. И., С е н ю т ь В. Т., Ш и п к о А. А. и др. Новые технические решения при создании композитов на основе эвтектических силуминов// Инновации в машиностроении: Сб. науч. тр. МНТК ОИМ НАН Беларуси. Мн., 2008.
6. В о л о ч к о А. Т., И з о б е л л о А. Ю. Измельчение структуры вторичных алюминиевых сплавов // Новые материалы и технологии: Материалы докл. 8-й МНТК ГНПО ПМ НАН Белариси. Мн., 2008. С. 78-79.
7. Пат. 4713 РБ. Поршень двигателя внутреннего сгорания с галереей охлаждения /МПК ¥ 02 Р 3/00.
8. В о л о ч к о А. Т., И з о б е л л о А. Ю. Моделирование теплонапряженного состояния поршней высокофорсированного дизельного двигателя внутреннего сгорания с циркуляционным охлаждением // Весщ НАН Беларусь Сер. фiз.-тэxн. навук. 2008. № 2. С. 63-68.
