CC BY
98
УДК 621.891
ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ И ТЕРМООБРАБОТКИ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И МИКРОТВЕРДОСТЬ
СПЛАВА АЛ-25
А.К. Олейник, к.т.н., Е.В. Чуйкова, инженер, А.В. Нестеренко, инженер,
ГП «Завод имени В. А. Малышева», г. Харьков
Аннотация. Приводятся результаты исследований триботехнических показателей и микротвердости рабочих поверхностей термически обработанных заготовок поршня из сплава АЛ-25, полученных методом жидкого изостатического прессования с кристаллизацией под давлением.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, кристаллизация, термическая обработка, трение, износ, микротвердость.
ВПЛИВ КРИСТАЛТЗАЦТТ ПТД ТИСКОМ ТА ТЕРМООБРОБКИ НА ТР1БОТЕХН1ЧН1 ПОКАЗНИКИ I М1КРОТВЕРД1СТЬ СПЛАВУ АЛ-25
О.К. Олшник, к.т.н, О.В. Чуйкова, шженер, А.В. Нестеренко, шженер,
ДП «Завод iменi В.О. Малишева», м. Харкчв
Анотаця. Приведено результати досл1джень тр1ботехтчних показниюв та мтротвердост1 робочих поверхонь терм1чно оброблених заготовок поршня з! сплаву АЛ-25, одержаного методом р1динного ¡зостатичного пресування з кристал1зац1ею тд тиском.
Ключов1 слова: алюмшевий сплав, кристал1зац1я, терм1чна обробка, тертя, знос, мтротвер-дтть.
THE INFLUENCE OF THE CRYSTALLIZATION UNDER PRESSURE AND HEAT TREATMENT ON THE TRIBOTECHNICAL INDICES AND MICROHARDNESS OF THE Al-25 ALLOY
A. Oleinik, Candidate of Technical Science, E. Chuikova, engineer,
A. Nesterenko, engineer, State Enterprise «Malyshev Plant», Kharkiv
Abstract. The paper gives the tribotechnical indices and working surface microhardness for the heat treated pistons from the Al-25 alloy. The pistons workpieces were obtained by the method of the fluid isostatic stamping with the crystallization under pressure.
Key words: alloy, crystalisation, termotreatment. friction, wear, microhardness.
Введение
В настоящее время поршни тепловозных дизельных двигателей типа Д100 изготавливаются из легированного чугуна СЧ ХНМ. Для новых дизельных двигателей типа Д80 используются составные поршни с тронком из деформируемого сплава АК4-1, изготавливаемым методом горячей штамповки. Со-
вершенствование выпускаемых двигателей связано с повышением механического КПД, уменьшением инерционных масс и динамических нагрузок, снижением тепловых зазоров в сопряжении гильза-поршень. Изготовление поршней двигателей Д100 и Д80 из сплава АЛ-25 методом жидкой штамповки может в значительной мере способствовать повышению эксплуатационных характери-
стик и конкурентоспособности двигателей с одновременным удешевлением производства за счет уменьшения отходов металла.
Поршневой алюминиевый сплав АЛ-25 является перспективным материалом для изготовления новых модификаций высокофорсированных дизельных двигателей с улучшенными технико-экономическими и экологическими характеристиками. Этому способствует относительно высокая теплостойкость и меньшие значения коэффициента теплового расширения сплава АЛ-25 в сравнении с широко используемым деформируемым сплавом АК 4-1. Штамповка заготовок поршней из расплава сплава АЛ-25 позволяет получать беспористые плотные заготовки с мелкокристаллической структурой и с относительно высоким коэффициентом использования металла, что обеспечивает высокие эксплуатационные свойства поршней при сокращении расхода материалов в производстве. Однако для принятия решения о замене чугуна и сплава АК4-1 на АЛ-25 для двигателей тепловозов типа Д100 и Д80 необходимо получение сравнительных данных по триботехническим характеристикам, в значительной мере определяющим работоспособность двигателей. К таким характеристикам относятся, прежде всего, значения коэффициентов трения при различных нагрузках, задиростойкость, прирабаты-ваемость и характеристики износостойкости при работе в паре с материалами гильз цилиндров и поршневых колец. Получение таких данных при работе поршней на двигателе связано со значительными расходами и не всегда возможно в связи с многообразием факторов, влияющих на работу двигателей. Поэтому рациональным является проведение лабораторных трибологических исследований, как по сравнительной оценке свойств материалов, так и по оптимизации технологии изготовления поршней.
Анализ публикаций
Поршни высокофорсированных дизельных двигателей относятся к одним из наиболее нагруженных и ответственных деталей [1, 2]. К материалам поршней предъявляются требования высокой прочности, износостойкости, жаропрочности и жаростойкости, теплопроводности, низкого коэффициента теплового расширения и плотности. Поршни из алюминиевых сплавов имеют меньшую
массу по сравнению с чугунными. Это снижает инерционное силовое воздействие на детали кривошипно-шатунного механизма, уменьшает силы трения и износ. Температура поршней из алюминиевых сплавов ниже, чем чугунных, благодаря более высокой теплопроводности. На их днищах меньше скапливается нагароотложений, а на юбке образуется более прочная пленка смазки, благоприятно влияющая на взаимодействие с зеркалом цилиндра [3].
Износ поршней происходит по канавкам под поршневые кольца, юбке и отверстиям под палец в бобышках. Кроме износа, поршни повреждаются задирами, разгарными и усталостно-коррозионными трещинами [3].
Мероприятия по обеспечению надежности и высокой долговечности поршней являются комплексными и включают разработку оптимального состава материала, технологии его получения и способов упрочнения рабочих поверхностей.
Недостатком алюминиевых сплавов является их низкая жаропрочность и относительно высокий коэффициент теплового расширения. Сплавы алюминия с кремнием, к которым относится АЛ-25, обладают относительно низким коэффициентом теплового расширения [4, 5], а механические свойства материала алюминиевых поршней могут быть повышены путем применения соответствующих технологических приемов изготовления заготовок [6].
Цель и постановка задачи
В настоящей работе поставлена цель - определить по сравнительным триботехническим показателям возможность замены материалов поршней дизелей типа Д100 и Д80, изготавливаемых из чугуна СЧ ХНМ и сплава АК4-1, на сплав АЛ-25, полученный методом жидкой штамповки с кристаллизацией под давлением.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать изменение коэффициента трения в зависимости от нагрузок сплавов АЛ-25, АК4-1 и чугуна СЧ ХНМ при трении в паре с чугуном гильз цилиндров дизелей типа Д100 и Д80.
2. Исследовать износостойкость и изнашивающую способность по отношению к
контртелу образцов материала заготовок поршней из сплава АЛ-25, полученных жидкой штамповкой с кристаллизацией под давлением и термообработанных по различным режимам закалки и искусственного старения.
3. Исследовать структурное состояние и микротвердость тонких слоев рабочих поверхностей, а также их изменение в процессе трения и изнашивания.
Материалы и методика исследований
Исследованию подвергали образцы материалов заготовок поршней из сплава АЛ-25, полученных жидкой штамповкой и закристаллизованных под давлением с последующей термообработкой по различным режимам. Режимы термообработки приведены в табл. 1.
Для получения сравнительных данных испытывали образцы, изготовленные из поршней серийных двигателей 10Д100 и 4Д80Б. Образцы из заготовок и натурных поршней изготавливали в виде «колодок» с размерами в плане 10 х 10 мм. Химические составы алюминиевых поршневых сплавов приведены в табл. 2.
Таблица 2 Химические составы исследуемых алюминиевых поршневых сплавов
В качестве контртел при испытаниях служили образцы в виде «дисков» диаметром 50 мм и высотой 12 мм, изготовленные из легированного чугуна (СЧ ХНМД) отливок гильз цилиндров тепловозных дизелей.
Испытания проведены на машинах трения 2070СМТ-1 и СМЦ-2 при скорости скольжения 1,3 м/с. Смазку осуществляли маслом М14В2. Величину износа определяли весовым методом на аналитических весах ВЛА-200 с точностью 1 • 10-4 г.
Микротвердость определяли на рабочих поверхностях образцов из сплава АЛ-25 до и после проведения испытаний на износ. Измерения проводили на приборе ПМТ-3. Глубину отпечатка h при определении зависимости микротвердости от толщины приповерхностного рабочего слоя определяли из соотношения
h = d/7,
где d - диагональ отпечатка, измеренная после его разгружения [7].
Результаты исследований
Испытания по определению коэффициентов трения при различных нагрузках проводили в диапазоне общих нагрузок 0,2 - 1,4 кН. Нагружение осуществляли ступенчато по 0,2 кН с интервалом 75 с. На каждой ступени определяли значения коэффициентов трения. По резкому возрастанию момента трения определяли нагрузку задирообразования Рз. Для оценки прирабатываемости поршневых сплавов и значений коэффициентов трения в приработанном состоянии проводили повторное нагружение образцов после их разгрузки до 0,2 кН и работе при этой нагрузке в течение 15 минут. Повторное нагружение проводили в диапазоне нагрузок 0,2 - 1,0 кН. Результаты испытаний приведены в табл. 3. Цифрами 1 и 2 в таблице обозначены значения коэффициентов трения до и после приработки соответственно. Термообработка образцов сплава АЛ-25 проведена по режиму 11 табл. 1.
Результаты испытаний показали, что поршневые сплавы в неприработанном состоянии имеют примерно одинаковые значения коэффициентов трения. При повторном нагружении /Гр. сплава АЛ-25 имеет наиболее низкое значение, что может свидетельствовать
Алюминиевый поршневой сплав Основные компоненты, % вес.
81 Си Мм N1 Бе Мп Т1
АЛ-25 11,3 1,9 0,8 0,8 0,6 0,4 0,1
АК4-1 0,30 1,9 1,4 0,9 1,3 0,3 0,1
Таблица 1 Режимы термообработки заготовок поршней из сплава АЛ-25
Условный № образца Режимы термообработки
11 Старение 200 °С, 8 ч
12 Закалка 495 °С, 3 ч ^ горячая вода + старение 195 °С, 6 ч
13 Старение 220 °С, 10 ч
14 Закалка 510 °С, 6 ч ^ горячая вода + старение 250 °С, 4 ч
Таблица 3 Средние значения коэффициентов трения (/ тр.) и нагрузки задирообразований (Рз) при ступенчатом нагружении
об образовании на рабочей поверхности этого сплава защитного слоя вторичных структур с высокими антифрикционными характеристиками. Испытания образцов, изготовленных из поршня дизеля 10Д100 (чугун СЧ ХНМ с приработочным покрытием) показали, что уже при нагрузке 1,2 кН происходит резкое возрастание момента трения и начало задирообразований. Испытания этих образцов после приработки показали значения /Гр., характерные для чугуна СЧ ХНМ. Таким образом, испытания по определению коэффициентов трения при различных нагрузках свидетельствуют, что по антифрикционным характеристикам и задиростой-кости сплав АЛ-25 превосходит другие исследованные сплавы.
Испытания по определению износостойкости проводили на образцах заготовок, термообработанных после кристаллизации под давлением по режимам, приведенным в табл. 1. Определяли влияния термообработки сплава АЛ-25 на его износостойкость и изнашивающую способность. На рабочих поверхностях образцов заготовок поршней до и после испытаний на изнашивание определяли микротвердость при нагрузке 50 г. Результаты определения суммарного износа за 10 часов испытаний и микротвердости рабочих поверхностей приведены в табл. 4.
Таблица 4 Результаты испытаний на изнашивание и измерений микротвердости поверхностей трения; сплав АЛ-25
Анализ результатов испытаний на изнашивание свидетельствует о том, что исследованные режимы термической обработки влияют на износостойкость сплава АЛ-25. По результатам соотношений величин износа можно сделать вывод о том, что закалка с искусственным старением по исследованным режимам не приводит к улучшению показателей износостойкости и изнашивающей способности сплава АЛ-25 по отношению к гильзе цилиндра в сравнении с искусственным старением без предварительной закалки. Наименьшие значения износа сплава АЛ-25 получены при испытании образцов, подвергнутых искусственному старению при 200 °С в течение 8 часов, а наименьшие значения износа контртел из чугуна гильз цилиндров получены при испытаниях образцов, прошедших старение при 220°С в течение 10 ч (режим 13). Возможно, полученные результаты являются следствием сохранения пересыщенного твердого раствора легирующих элементов в сплаве АЛ-25 после жидкой штамповки с кристаллизацией под давлением.
Соотношение величин микротвердости рабочих поверхностей до и после испытаний свидетельствует о том, что в процессе трения происходит разупрочнение приповерхностных слоев сплава АЛ-25. В наибольшей степени это выражено при испытаниях образцов, подвергнутых искусственному старению при 220 °С в течение 10 часов (режим 13), что коррелирует с наименьшей изнашивающей способностью (по отношению к контртелу) образцов этого варианта.
При металлографических исследованиях на рабочих поверхностях сплава АЛ-25 после испытаний обнаруживаются светлые выглаженные участки без характерных следов трения в виде канавок в направлении скольжения. Измерения микротвердости этих
участков показали, что они имеют примерно одинаковый уровень значений Н50 для разных вариантов термообработки в отличие от более темных участков рабочих поверхностей, значения микротвердости которых существенно отличаются.
На образцах варианта 14 оказалось возможным измерить диагональ отпечатков на светлых участках, начиная от нагрузки 0,5 г. Для определения изменения микротвердости сплава АЛ-25 по глубине приповерхностного слоя нагрузка изменялась в диапазоне 0,5 -
& в £ Износ «колодки» гх10-4 о ^ ^ нока 0 нс 1 43 в и Е 5 и Микротвердость н50, кг/мм2
до исп. после исп., светл. уч-ки после исп., темн. уч-ки
11 4,7 20,3 239 156 165
12 6,7 17,7 178 154 170
13 6,0 16,4 366 160 122
14 5,0 26,3 223 146 125
Материал поршня (№ испытания) Значения /тр. Нагрузка Рз, кН
АЛ-25 (1) 0,066 >1,4
АЛ-25 (2) 0,009
АК4-1 (1) 0,063 1,4
АК4-1 (2) 0,017
СЧ ХНМ (1) 0,067 1,2
СЧ ХНМ (2) 0,104
20 г. Глубину отпечатка определяли по диагонали отпечатка согласно формуле, приведенной выше. Результаты этих измерений для режима термообработки 14 показаны в табл. 5.
Таблица 5 Результаты измерений микротвердости в тонких слоях светлых участков поверхностей трения сплава АЛ-25 (режим термообработки 14)
Измерения показали, что при уменьшении толщины приповерхностного слоя ниже 1,3 мкм происходит заметное снижение микротвердости. Это свидетельствует о разупрочнении и может быть связано с меньшей плотностью дислокаций в этом слое. Снижение плотности дислокаций за счет сил «зеркального изображения» с образованием суб-микрокристаллических аморфных структур в тонком приповерхностном слое алюминиевого сплава обнаружено в работе [8]. Это сопровождается образованием субмикрокри-сталлических рентгеноаморфных структур диссипативного типа, обеспечивающих наиболее высокие показатели триботехнических характеристик материалов при трении [9, 10].
Выводы
Проведенные исследования показали, что сплав АЛ-25, полученный методом жидкой штамповки с кристаллизацией под давлением, обладает достаточно высоким уровнем триботехнических характеристик и может быть рекомендован вместо легированного чугуна и сплава АК4-1 для изготовления поршней тепловозных дизелей типа Д100 и Д80.
Результаты испытаний по определению износостойкости и изнашивающей способности свидетельствуют о том, что дополнительная закалка заготовок поршней,
полученных жидкой штамповкой, не приводит к улучшению этих характеристик в сравнении с искусственным старением, что мо-
жет объясняться сохранением пересыщенного твердого раствора при кристаллизации под давлением жидкоштампованных заготовок.
Литература
1. Клименко Л.П. Разработка материала и
технологии упрочнения поршней среднеоборотных судовых дизелей. Проблема трибологии / Л.П. Клименко, О.Ф. Прищепов, В.И. Андреев. - 2003. - № 2. -С. 148-152.
2. Насыров Р.А. Повышение надежности работы поршней тепловозных дизелей / Р.А. Насыров. - М. : Транспорт, 1972. -216 с.
3. Трение, изнашивание и смазка : справочник. В 2-х кн. / под ред. И.В. Крагельско-го и В.В. Алисина. - М. : Машиностроение, 1979. - Кн. 2. - 358 с.
4. Захаров М.В. Жаропрочные сплавы / М.В. Захаров, А.М. Захаров. - М. : Металлургия, 1978. - 384 с.
5. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. -М. : Металлургия, 1970. - 364 с.
6. Платонов В.К. Поршневые сплавы на основе алюминия / В.К. Платонов, В.П. Прозоров, Р.С. Горшков // Двигателестрое-ние. -1980. - № 9. - С. 41-44.
7. Алехин В.П. Аномальное деформационное старение в приповерхностных слоях / В.П. Алехин, СИ. Булычев, В.С. Тума-сян // Физика и химия обработки материалов. - 1988. - № 3. - С. 97-101.
8. Байрацкая М.Ю. Исследование напряжен-
но-деформированного состояния и структурнофазовых изменений в алюминиевом сплаве при поверхностном модифицировании и трении / М.Ю. Байрацкая, В.В. Иссерс, Ю.К. Машков, АС. Тайла-шев // Трение и износ. - 1992. - Т. 13, № 4. - С. 707-715.
9. Повышение износостойкости на основе избирательного переноса / под ред. Д.Н. Гаркунова. - М. : Машиностроение, 1977. - 215 с.
10. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении / Б.И. Костецкий, И.Г. Носовский, А. К. Караулов и др. ; под общ. ред. Б.И. Костецкого. - К. : Техника, 1976. - 296 с.
Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.
Нагрузка на индентор, г Глубина отпечатка к, мкм Микротвердость Н, кг/мм2
0,5 0,80 28,5
1,0 0,87 46,7
2,0 1,17 55,3
3,0 1,24 74
4,0 1,30 95,8
5,0 1,40 90,9
10,0 2,0 92,0
15,0 2,3 111,4
20,0 2,14 121,5
