This article gives the results of study of car piston alloy structure, comparative trilotechnical properties of cast composition materials on the base of aluminium matrixes, reinfoxed by non-metallic particles. Advantages of using the cast economically rainforced composites in car industry and other areas are shown.


Область наук:
  • технології матеріалів
  • Рік видавництва: 2006
    Журнал: Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету
    Наукова стаття на тему 'Литі композиційні матеріали на основі алюмінієвого сплаву для автомобілебудування'

    Текст наукової роботи на тему «Литі композиційні матеріали на основі алюмінієвого сплаву для автомобілебудування»

    ?УДК 621.74.042

    Литі КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ НА ОСНОВІ АЛЮМІНІЄВОГО СПЛАВА ДЛЯ АВТОМОБІЛЕБУДУВАННЯ

    Е.В. Миронова, вед. інженер, А.С. Затуловский, ст. наук. співр., к.т.н., А.В. Косинська, к.т.н., ст. наук. співр., С.С. Затуловский, професор, д.т.н., зав. відділом, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України,

    м. Київ

    Анотація. Наведено результати досліджень хімічного складу і структури поршневих сплавів автомобілів різних марок, порівняльні тріботехніче-ські характеристики литих композиційних матеріалів на основі алюмінієвих матриць, армованих неметаллическими частинками. Показано переваги литих економноармірованних композитів з точки зору їх застосування в автомобілебудуванні та інших областях техніки.

    Ключові слова: алюмінієвий сплав, поршень, литий композиційний матеріал, триботехнические характеристики, методи армування.

    Вступ

    Підвищення довговічності і надійності роботи трібодеталей автомобілів та інших агрегатів і машин є актуальною і важливою проблемою. Застосовувані великими автомобільними фірмами методи модифікування, термічна обробка, рідка штамповка, армування стінки першої канавки поршневого кільця вставкою зі сплаву Neresist і ін. Часто не дають необхідних експлуатаційних характеристик або складні у виконанні. Все більш широке застосування в автомобіле- і авіабудуванні знаходять литі композиційні матеріали (ЛФМ) системи Al-Si / SiC, оскільки вони відрізняються підвищеною зносостійкістю, кріпоустойчівостью, високим опором до зародження тріщин, нижчими КТЛР, поліпшеними показниками міцності, теплостійкість і теплопровідність, хорошими технологічними властивостями. Факторами, що стримують поширення композитів, є ускладнення технології і деяке збільшення виробничих витрат [1]. У зв'язку з цим для отримання КМ ми рекомендуємо використовувати методи композиційного лиття in-situ (армування матричного сплаву виділилися спонтанно в процесі кристалізації фазами), а для зниження собівартості КМ використовувати заміс в розплав (in-vitro) недорогих і недефіцитних армуючих добавок.

    Як показали дослідження, для виготовлення деталей шатунно-поршневої групи застосовують сплави на основі системи Al-Si і, як правило,

    спеціальні силуміни, в яких крім кремнію, містяться в невеликій кількості такі компоненти, як Mg, Сі, Мп, № (табл.1). Сплави цієї системи характеризуються високими ливарними і корозійні властивості. Для поршнів дизельних двигунів і двигунів внутрішнього згоряння в країнах СНД найбільшого поширення знайшов сплав марки АК12М2МгН. Російські заводи для виготовлення поршнів легкових автомобілів використовують доевтектичні силуміни (I група), що містять добавки Сі, Mg. Близькі за складом до них сплави поршнів автомобілів Міцубісі-Галан і Опель-Рекорд. Сплав АК12М2МгН з підвищеною кількістю заліза викликає поява в структурі железосодержащей фази, що обумовлює зниження його пластичності і механічних властивостей. У меншій мірі використовують евтектичних силуміну, за складом наближаються до відомого поршневому сплаву АК12М2Мг (II група).

    Як армуючі елементів були обрані більш дешеві і недефіцитні порошки алюмосиликатов, відходів каменеливарних і вогнетривкої (алюмосилікат) виробництв, а для порівняння дорожчий карбід кремнію, а так само елементи стружки мідного сплаву. Вибрані матеріали армування мають низьку щільність, близьку до щільності розплавленого алюмінію, мають досить високою температурою плавлення, твердістю, характеризуються нижчим, ніж алюмінієві сплави, коефіцієнтом лінійного термічного розширення, що дозволяє прогнозувати підвищення термостабільності ЛФМ.

    Таблиця 1 Хімічний і фазовий склад алюмінієвих сплавів поршнів двигунів внутрішнього згоряння автомобілів різних марок

    з < | Марка ав-г Томо-бі-ля Зміст компонентів в алюмінієвому сплаві, мас%. фазовий склад

    Si Mg Сі Fe Мп ТЗ №

    I ГАЗ-52 5,37 0,37 7,25 0,83 0,24 0,06 0,15 a, a + Si, CuAl2 железосодерж. Інтерметалл-ди

    Ваз-08 8,61 1,06 2,1 0,32 0,028 0,058 0,78 a, a + Si, CuAl2 інтерметалліді

    Міцубісі-Галан 9,12 0,9 2,54 0,65 0,66 0,032 a, a + Si, CuAl2 інтерметалліді

    Урал 9,4 1,18 1,32 0,58 0,1 0,081 0,98 a, a + Si, CuAl2 інтерметалліді

    Газ-53 «Волга» 9,77 1,06 1,21 0,35 0,08 0,042 0,95 a, a + Si, CuAl2 інтерметалліді

    ^ Есо 9,77 1,08 1,16 0,33 0,04 0,048 1,09 a, a + Si, CuAl2 інтерметалліді

    Опель - Рекорд 10,35 1,41 0,71 0,38 0,015 0,034 - a, a + Si, CuAl2 інтерметалліді

    Москвич 10,8 0,79 1,27 0,53 0,084 0,055 0,77 a, a + Si, CuAl2 інтерметалліді

    II ЗІЛ 11,3 0,87 1,11 0,5 0,05 0,076 1,16 a + Si, CuAl2железо і мідно-нікелеві фази

    Фіат 11,75 1,29 1,02 0,53 0,08 0,05 1,26 a + Si, CuAl2железо і мідно-нікелеві фази

    Ікарус 12,2 1,06 1,26 0,64 0,07 0,13 1,0 a + Si, CuAl2железо і мідно-нікелеві фази

    Дослідження, виконані на установці ПРТ 1000М і дилатометрі ДВК показали, що температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) знижується відповідно до змісту введених частинок (рис.1).

    а-10-6 ° С

    25

    20

    15

    1 АК12М2

    АК12

    0

    1

    2

    3

    Рис.1. Зміна коефіцієнта лінійного розширення (а) в залежності від вмісту неметалічних частинок в ЛФМ на основі сплавів: 1 - АК5М2; 2 - АК12

    При отриманні ЛФМ замешиванием армуючих частинок в алюмінієвий розплав (т ^ йго), були використані частинки розміром 100-300 мкм (алюмосилікат) і 10-150 мкм ^ С), які в кількості 3-15% вводили в рідкий розплав сплаву АК12М2МгН при температурі 750 ± 20 ° С і перемішували утворюється гетерогенную суміш. Після витримки розплав заливали в графітову форму.

    Встановили, що введення армуючих частинок в алюмінієві сплави призводить до підвищення їх зносостійкості. На показники тріботехніче-ських характеристик впливають кількісний і ка-

    кількісний склад матеріалу армуючих елементів і умови проведення експериментів як при сухому, так і при рідинному терті. Однак закономірно в ЛФМ фізико-механічні характеристики істотно вище, ніж традиційних порошкових сплавів (рис. 2).

    ] Мкм / км 50

    40

    30

    20

    10

    пл.

    12 3 ^ Р = 6,3кг / см1; У = 5м / С;

    Мал. 2. Зносостійкість композитів в умовах сухого тертя: 1 - сплав поршня автобуса «Ікарус»; 2 - АК12М2МгН, з 5 об% частинок SiC; 3 - з 15 об% частинок SiC; 4 - з 6 про% частинок алюмосилікат

    Досліди показали, що «економні» армирующие елементи по ефективності впливу не поступаються, а в більшості випадків перевершують SiC (рис. 2, 3).

    У порівнянні з показниками для сплаву автобуса «Ікарус», зменшення зношування компози-

    ційних матеріалів, армованих частинками карбіду кремнію і алюмосилікат, відбувається в 5-17 разів. Тенденція стабільного зниження зносу у композиту спостерігається при всіх значеннях навантаження при її збільшенні від 40 до 100 Н / м2.

    стійкістю при підвищених навантаженнях мав композиційний матеріал, що має в структурі два види интерметаллидов у вигляді потрійних і четверні з'єднань систем Cu-Fe-Si, Cu-Fe-Mn-Si.

    J мкм / км 300

    250

    200

    150

    50

    2,5

    5,0 15 Р.кг

    Мал. 3. Порівняльні показники зносу моносплава і композиту на його основі; сухе тертя; К = 5м / с; I I - сплав АК5М2;

    ESS3

    - зміцнений бронзової стружкою

    Мал. 4. Структура композиційного матеріалу на основі алюмінієвого сплаву, армованого интерметаллидами складного складу, х250

    Для отримання КМ з більш рівномірним розподілом армуючої фази використовували метод ш ^ йі. Випробування економноармірованних композиційних матеріалів типу алюміній -інтерметаллід складного складу з використанням дискретних елементів бронз різних марок показали, що отримані композиційні матеріали, що включають в якості армуючої фази, що виділилися в результаті кристалізації дискретні інтерметалліді (рис. 4), мають більш високу зносостійкість, ніж вихідний алюмінієвий сплав (рис. 5). найбільшою износо-

    i

    0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

    -

    i -

    Р, кг

    Мал. 5. Залежність зносостійкості вихідного алюмінієвого сплаву і композитів на його основі від навантаження в умовах тертя зі

    мастилом, швидкість ковзання 2 м / с:? - АЛ25;

    - АЛ25 + 3-5% Сі-Ре ^ + СіАЬ; _- АЛ25 + 3-5% Сі ^ е ^ + Сі ^ е-Мп ^ до

    Ш

    - An25 + 3-5% CuAl,

    висновки

    Представлені результати показують, що розроблені литі економноармірованние композиційні матеріали є перспективними для використання в якості деталей шатунно-поршневої групи автомобілів, тракторів та інших трібодеталей з метою підвищення їх дієздатності і довговічності. Застосування дешевих арміруюшіх елементів замість дорогих керамічних і борних волокон, частинок карбіду кремнію, які є до того ж дефіцитними, дозволить знизити вартість ЛФМ на основі алюмінієвих сплавів, зробити їх більш доступними для масового виробництва.

    література

    1. Затуловский А.С., Косинська А.В. матеріали в

    автомобілебудуванні // Зб. доповідей II меж-дунар. науково-практ. конф. - Тольятті. -2004. - Т.1. - С. 385-388.

    2. Панфілов А.В. та ін. // Процеси лиття. - 2004.

    - №4. - С.33-37.

    Рецензент: С.С. Дьяченко, професор, д.т.н., ХНАДУ.

    Стаття надійшла до редакції 7 червня 2006 р.

    5

    10


    Ключові слова: алюмінієвий сплав / поршень / литий композиційний матеріал / триботехнические характеристики / методи армування

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити