автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Обоснование выбора комплексного модификатора и технологии термообработки поршней из сплава АК21М3Н

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Условия работы и требования к материалу поршней.

1.2. Поршневые сплавы.

1.3. Технология изготовления заготовок поршней.

1.3.1. Модифицирование и рафинирование.

1.3.2. Напряженно-деформированное состояние.

1.3.3. Термообработка поршней.

1.4. Анализ производственных данных.

1.5. Выводы по результатам обзора и цели исследования.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Характеристика исследуемых материалов.

2.2. Методика модифицирования и рафинирования.

2.3. Оптимизация состава модификатора.

2.4. Методика исследования микроструктуры поршневого сплава

2.5. Методика определения изменения размеров при нагреве образцов из сплава АК21МЗН.

2.6. Методика определения напряженно-деформированного состояния поршней.

2.7. Методика определения микронапряжений.

2.8. Методика определения и анализ механических свойств поршневых сплавов.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРОВ КРИСТАЛЛОВ ПЕРВИЧНОГО КРЕМНИЯ НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА ПОРШНЕЙ.

3.1. Общая часть.

3.2. Исследование микроструктуры материала поршня.

3.3. Исследование влияния степени дисперсности структуры на механические свойства материала поршней.

3.4. Исследование влияния дисперсности структуры на обрабатываемость резанием.

Двигатели внутреннего сгорания и, в частности дизельные двигатели, являются наиболее распространенными техническими системами. Широкая сфера их применения определяет универсальность дизелей и прогрессивность их характеристик. Большегрузные автомобили, автокраны, специальные гусеничные тягачи, тракторы, экскаваторы, строительные и дорожные машины, перекачивающие насосы и компрессорные установки, передвижные электростанции, лесосплавные суда и катера - вот далеко не полный перечень всех машин и агрегатов, оснащенных дизельными двигателями.

Повышение надежности и долговечности машин приобрело в настоящее время первостепенное значение, так как значительную часть издержек производства составляют затраты на техническое обслуживание и ремонт дизельных агрегатов. Как известно, качество двигателя прямо пропорционально качеству отдельных деталей. Поэтому обеспечение надежности и долговечности двигателя в целом невозможно без придания его деталям необходимых свойств.

Несоответствие детали требованиям, предъявляемым к её форме или к её материалу, выявляется уже в начале эксплуатации двигателя или с течением времени вследствие постепенной утраты деталью своих первоначальных свойств. В результате происходит преждевременный износ, деформация или коррозия металла и, как следствие, разрушение детали, приводящее к отказу в работе двигателя.

Повышение надежности деталей цилиндропоршневой группы и в частности поршня является научной и инженерной проблемой, не теряющей своей актуальности с течением времени, так как от её решения во многом зависят КПД, тяговые характеристики и экономичность современных дизельных двигателей.

На многих предприятиях дизелестроения поршни дизельных двигателей изготавливаются из заэвтектического силумина марки АК21МЗН, что придает им достаточно высокую теплопроводность и износостойкость, низкий коэффициент линейного расширения и невысокую плотность. Этот комплекс физических свойств обеспечивает высокую эксплуатационную надежность поршней.

Особенности микроструктуры материала поршня требуют проведения технологической операции - модифицирования. Силумины в модифицированном состоянии имеют мелкозернистую структуру, что определяет прочностные характеристики сплава и обрабатываемость резанием. С целью очистки сплава от неметаллических включений, растворенных газов расплав подвергается рафинированию. Разделение операции модифицирования и рафинирования и связанная с этим продолжительность периода от момента обработки сплава модификатором до его разливки, а также несовершенство известных модификаторов приводит к потере эффекта модифицирования и, как следствие, огрубление структуры. Это приводит к снижению механических, эксплуатационных и технологических свойств. При обработке резанием наблюдается преждевременный износ инструмента.

Склонность поршневого сплава к остаточному «росту», происходящему в процессе распада твердого раствора и в процессе эксплуатации при высоких температурах, приводит к затруднениям обеспечения постоянства зазора между поршнем и гильзой. Для устранения этого недостатка отливки поршней подвергаются термообработке - отжиг с температурой нагрева равной максимальной температуре в камере сгорания двигателя. Анализ литературных данных показал [1 - 4], что время выдержки в печи может быть уменьшено. В современных экономических условиях с учетом требований экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов эта проблема является весьма актуальной.

Поэтому данная работа посвящена изучению влияния модифицирования и стабилизирующего отжига на механические свойства, обрабатываемость резанием и стабильность геометрических размеров поршней дизельных двигателей.

Цель работы состоит в научном обосновании выбора комплексного модификатора и технологии термообработки поршней, изготовляемых из сплава АК21МЗН. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние размеров кристаллов первичного кремния и их распределения на свойства материала поршней.

2. Исследовать влияние размеров кристаллов первичного кремния и их распределения на обрабатываемость резанием.

3. Разработать и оптимизировать состав комплексного модификатора на основе метафосфата алюминия.

4. Исследовать влияние времени термообработки на свойства материала поршней в том числе:

- остаточный «рост»;

- механические свойства;

- внутренние напряжения.

Научная новизна работы выражена в следующих положениях:

1. В выявлении закономерностей изменения механических и технологических свойств в зависимости от степени дисперсности структуры сплава АК21МЗН.

2. В разработанной оценки микроструктуры поршневого сплава.

3. В определении степени распада твердого раствора, оптимальной с точки зрения обеспечения стабильности размеров и продолжительности отжига на основе исследований напряженного-деформированного состояния и фазового состава материала поршня.

Практическая значимость работы заключаться в следующем:

1. экспериментально определено влияние размеров кристаллов первичного кремния на механические и технологические свойства сплава;

2. разработан комплексный модификатор на основе метафосфата алюминия, применение которого позволят обеспечить необходимые технологические и механические свойства;

3. составлена шкала микроструктуры сплава АК21МЗН, дающая возможность точной оценки качества модифицирования;

4. определены оптимальные параметры отжига с точки зрения обеспечения стабильности геометрии, релаксации напряжений и экономической эффективности;

5. проведена оценка эффективности использования комплексного модификатора на основе метафосфата алюминия.

Основные положения, выносимые на защиту:

- зависимость механических и технологических свойств от степени дисперсности структуры сплава АК21МЗ Н;

- принцип выбора комплексного модификатора, позволяющего получить необходимые механические и технологические свойства сплава;

- классификация микроструктур сплава АК21МЗН;

- обоснование выбора рациональной технологии термической обработки поршней с точки зрения энергосбережения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на региональной (г. Ярославль, 2000), всесоюзной (г. Пенза, 2000) и международной научно-технической конференции (г. Пенза, 2000), на 5-ом собрании металловедов России (г.

Краснодар, 2001) на семинарах кафедры «Технология металлов» ЯГТУ и 1 кафедре «Металловедение и литейное производство» РГАТА.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 121 стр., состоит из введения, 6 глав, списка литературы, включающего 112 наименований, 3 приложений, содержит рисунки и таблицы.

ВЫВОДЫ

1. В результате проведенного исследования получены зависимости временного сопротивления разрыву и обрабатываемости резанием сплава от размеров кристаллов первичного кремния.

2. Разработан комплексный модификатор для заэвтектических силуминов на основе метафосфата алюминия и установлен его состав.

3. Разработана шкала микроструктур материала поршней изготовленных из сплава АК21МЗН.

4. Исследована возможность снижения времени термообработки поршней и влияние её на механические свойства материала поршня, остаточный «рост», остаточные тангенциальные и микронапряжения, а также фазовый состав сплава.

5. На основании результатов проведенного исследования предлагается провести следующие изменения технологического процесса изготовления отливок поршней:

109 заменить модифицирование сплава в плавильной печи и рафинирование в раздаточных печах на обработку расплава комплексным модификатором в раздаточной печи; изменить режим термообработки отливок поршней с 300° С, 10 ч. на 300° С, 6 ч. В результате проведения этих двух мероприятий предполагаемый годовой экономический эффект составит Эе год = 15373144,94 руб/год. Результаты работы прошли промышленное опробование на ЯМЗ ОАО «Автодизель» и подтвердили обоснованность и эффективность предлагаемых научно-технических решений.

3.5. Заключение

По результатам проведенного исследования, влияния степени дисперсности структуры на механические свойства и обрабатываемость резанием построены графики зависимости износа инструмента и временного сопротивления разрыву от размеров кристаллов первичного кремния. Аппроксимация кривых и определение корреляционных уравнений производилась в среде программы EXEL. Зависимость временного сопротивления разрыву материала поршня и величины износа задней поверхности режущего инструмента от размеров кристаллов первичного приведены на рисунках 3.19, 3.20 соответственно.

Корреляционное уравнение, описывающее влияние размеров кристаллов первичного кремния на величину износа задней поверхности режущего инструмента имеет вид: h3 = 0,5155 • In(dk)~0,7359 (3 2)

Корреляционное уравнение, описывающее влияние размеров кристаллов первичного кремния на временное сопротивление разрыву материала поршней имеет вид: тв =-48,144-1п(<4) + 348,21 (3.1)

180 и м

3 й-й Он и к я

4 м в о о о о о Я В а а РР

170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 166

15?\

1 96

40 60 80 100 120 140 160 180 200

Размер кристаллов кремния, мкм

Рис. 3.19. Зависимость временного сопротивления разрыву материала поршней от размеров кристаллов первичного кремния.

Размер кристаллов кремния, мкм

Рис. 3.20. Зависимость износа задней поверхности режущего инструмента от размеров кристаллов первичного кремния.

1. Giessereitechnik, Taschenbuch. 1957 S. 267-274.

2. Kissling R., Oldrich Т., Mod. Cast. 35, 1959, №6 pp. 67-72,

3. Smith R., S.A.E. Journal 66, 1958, №3, p. 48-56.

4. Stonebrook E.E., Mod. Cast., 38, №1, p.111-114

5. Григорьев M.A., Понамарев H.H. Износ и долговечность автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.

6. Орлин А.С., Вырубов Д.Н., Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1972. - 464 с.

7. Билик Ш.М., Макрогеометрия деталей машин Изд. 2-е - М.: Машиностроение, 1972 - 344 с.

8. Билик Ш.М., Макрогеометрия деталей машин М.: Машгиз, 1962. - 297 с.

9. Домбровский К.И., Греков К.А. Причины возникновения трещин поршня дизеля 2Д100 // Вестник ВНИИЖТ, №2,1966, С. 36-38

10. Орлин А.С. и др. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. М: Машиностроение, 1970. - 348 с.

11. П.Григорьев М.А., Понамарев Н.Н. Износ и долговечность автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.

12. Колобнев И.Ф. и др. Цветное литьё. Инж. Монография М.,1966. - 289 с.

13. Чернышов Г.Д. и др. Повышение надежности двигателей ЯМЗ и автомобилей КрАЗ М.: Машиностроение, 1974г. - 368 с.

14. Григорьев М.А., Далецкий. Обеспечение надежности двигателей. М.: Издательство стандартов. 1977. - 324 с.

15. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев.1977.- 378 с.

16. Теплов B.C. Конструктивный вес деталей поршневой группы автомобильных бензиновых двигателей. // Автомобилестроение. НИИНАвтопром, 1971, №2. С. 39.

17. Ващенко К.И., Жижченко В.В., Фирстов А.Н. Биметаллические отливки железо-алюминий. М.: Машиностроение, 1966. - 150 с.

18. Жуков А. А., Жуков В. А., Тарасов М.А. Методика оценки эксплуатационных свойств материалов поршней ДВС // Авиационно-космичская техника и технология. Сб. науч. трудов. Выпуск 26. Харьков, 2001.-С. 103-104.

19. Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов.- М.: Металлургия, 1973,2-е изд. 320 с.

20. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия, 1977. - 271 с.

21. Rooe E.L. AFS Transactions, Des Pleins, 111, 1972.

22. Легкие сплавы в народном хозяйстве. ОНТИ ВИАМ, 1975.

23. Материалы коллоквиума фирмы «Mahle», 1973.

24. Браун В. Силуминовые поршни // Автомобильная промышленность США.- 1989, № 1 С. 36.

25. Pohle, Gerd. Verchleid problem am Kolben und Moglichkeiten der Verringerung., Motortechn. Z, 1970, 31, №2 , S. 68-73

26. Апслой С. Технологические направления в производстве алюминиевого литья в Англии. // ЭИ ТОЛП,1976, №47

27. Маклин X. Применение заэвтектического силумина для литья блоков цилиндров // ЭИ ТОЛП, 1977, №6.

28. Суходольская Е.А., Таран Б.П. Исследование термической выносливости поршневого сплава Ал 25// Литейное производство, 1973, №4. с.41.

29. Anderko К., Eisenblater I., Giesserei 1973, №11, S. 329.

30. ЗО.Зильберг Ю.Я., Хрущова К.М., Герман Г.Б. Алюминиевые сплавы в тракторостроении. М: Машиностроение, 1971. - 151 с.

31. Мондельфо Л.Ф., Структура и свойства алюминиевых сплавов: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1979 - 640 с.

32. Rohrle М., MTZ, 1969, № 9, S. 344, 472.

33. Rosch F., MTZ, 1976, № 12, S. 507.

34. Сидорин И.И. Алюминий и его сплавы. М.: Машпром, 1959. - 478 с.

35. Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика: Справочник для профессионального обучения рабочих на производстве. М.: Машиностроение, 1988. -272 с.

36. Потанин С.Л. Интерметаллиды в отливках из заэвтектических силуминов. // Металловедение и термическая обработка, №12,1973. С. 62.

37. Платонов В.Н., Малькевич А.В. Влияние материала и метода изготовления заготовок алюминиевых поршней на их прочность // Двигателестроение. 1982, № 8. С. 36-37.

38. Пипчин Т.Н., Томсинская М.А., Никулин Л.В. и др. Жидкая штамповка поршней // Литейное производство. 1978. №3. С. 47-50.

39. Калина Ю.Г., Гершман Г.Б. и др. Изотермическая штамповка поршней из сплава АЛ25 // Кузнечно-штамповочное производство. 1979. №2. С. 12 -14.

40. Воздвиженский В.М., Грачев В.А., Спасский В.В. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. М.: Машиностроение, 1984. -432с.

41. Спасский А.Г., Основы литейного производства, Металлургиздат, 1950

42. Lott W., Aluminum Formguss f. Hohe Oberflachenansprache // VEB Verlag Tecnik, S.83-86

43. Neu M.G., Meal Progress, v.70,1956, №4-S. 112-116.

44. А.И. Виноградов, Ю.И. Почкарев, A.A. Кудряков, И.У. Желандиков, И.В.Рябов, Б.А. Фоченков Комплексная обработка поршневого заэвтектического силумина АК25// литейное производство. 2001. - №8. -С.17-18.

45. Gurtler G., Zeitschr. fur Metallkunde, Bd. 44, H. 11,1953.

46. Thury W., Berg und Huttenmannische Monatschefte, H. 12,1958.

47. Fiat Ber. Naturforschung und Medizin in Deutschland, Bd. 142, 1939 - 46 -S. 16.

48. Fiat Ber. Naturforschung und Medizin in Deutschland, Bd. 32,1939 - 46 - S. 16.

49. C. Mascre., ЛММА 21, 640, 959.

50. G. Guertler, etc., ЛММА 5, 533;7,8.51 .S. Gebalski, etc., ЛММА 30,231.

51. Т. Takahashi, etc., Met A 4, 530317.

52. S. Matsuo, etc., ЛММА 26, 279.

53. S.T. Chiu., ЛММА 29, 765; MA 2, 940.

54. Фомин Б.А.,Спасский А.Г. Теплопрочный сплав с малым коэффициентом температурного расширения// Литейное производство №7, 1960. С. 3234.

55. Патент ГДР, № 30144, кл. 40Ь 21/02 (С22С) Солевая смесь для обработки расплавов алюминиево-кремниевых сплавов / Бохман Г.; Заявлен 14.09.1963; Опубликован 5.11.1964.

56. Авторское свидетельство СССР №1214773, кл. С22В 9/10 Флюсдля обработки заэвтектических алюминиевых сплавов / В.А. Косинцев, Т.Р. Епанешникова. 1986.

57. Улучшение качества модифицирования алюминиевого сплава с кремнием // РЖМет, 1966, №3. С. 3559.31st Internal Foundry Congr., Amsterdam, 1994. // РЖМет, 1966, №5. С. 29.

58. P.I. Glukhikh, Met A 4, 120522.

59. P. Borgeaud, etc., Met A 1, 120566, 430108.

60. N.R. Pillai, etc., Met A 2,120081.

61. T. Bartus., Met A 2, 510657. 64.S. Grosh, etc., Met A 1, 510322.

62. Panseri C., Berg u. Huttenmanisch Monatshefte, 101, Hf. 12, 1956 - S. 397402.

63. Zallo S., Foundry, 1958, № 6. S. 279-284.

64. Zallo S., Fondry, 1957, № 141.

65. Soia A., Lipson S., Riepert E., Metall, Bd. 10, Hf. 5/6,1956 S. 195-199.

66. Thury W., Kessler H., Z. f. Metallkunde, Bd. 46, Hf. 12,1955 S. 846 - 849.

67. Ditrich E. Neue Hutte, 2 Feb. 1958.

68. Кимстач Г.М. О физико-механическом механизме модифицирования Al-Si сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов, №3. 1999. -С. 14-17.

69. Спасский А.Г., Клягина Н.С., Литейное производство №4, 1958.

70. Радин А.Я. Плавка и литьё алюминиевых сплавов М., Металлургия, 1970.- 320 с.

71. Лебедев К.П., Максимов В.Д., Райнес Л.С. Литейное производство, 1966, №2.

72. Альтман М.Б. Неметаллические включения в алюминиевых сплавах М.: Металлургия, 1965.-462 с.

73. Bela Tarijan, Bruno Vorsatz. Gisseeitechnic. 20 Jahrgang. Heft 8/ 1974.

74. Курдюмов A.B., Рогозйнский A.A. Плавка и литье алюминиевых сплавов -М.: Металлургия, 1972. 412 с.

75. Коротков В.Г. Рафинирование литейных алюминиевых сплавов Машгиз, 1963.-341 с.

76. Беляев А.П., Гохштейн М.Б., Мараев С.Е. Рафинирование и литье первичного алюминия М.: Металлургия, 1966. - 456 с.

77. Альтман М.Б. Металлургия литейных алюминиевых сплавов М.: Металлургия, 1972. - 364 с.

78. Шаров М.В., Пименов Ю.П., В сб.: Легкие сплавы и методы их обработки -Наука, 1968.-С. 143.

79. Альтман М.Б., Лебедев А.А., Чухров М.В. Плавка и литье легких сплавов. М., «Машиностроение», 1970. 497 с.

80. Шаров М.В., Никишаева О.И., В сб.: Труды НАТИ, вып. 49., Оборонгиз, 1961.-С. 28.

81. Бочвар А.А., Металловедение М.: Металлургиздат, 1956. - 650 с.

82. Бочвар А.А., Основы термической обработки сплавов М.: Цветметиздат, 1932.-472 с.

83. Колобнев И.Ф. Термическая обработка алюминиевых сплавов М.: Металлургиздат 1966 - 349 с.

84. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия. 1977 - 647 с.

85. Meyer Rasseler Е., MTZ, 1965, №2, S. 126.

86. Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах: Пер. с англ. М.: Мир, 1978. 622 с.

87. Доэрти Р.Д. Диффузионные фазовые превращения в твердом теле // Физическое металловедение: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1987. Т.2 с. 267-364.

88. Фридель Ж. Дислокации: Пер. с англ. М.: Мир,1967. 626 с.

89. Фарбер В.М. Начальные стадии распада пересыщенных твердых растворов. // Металловедение и термическая обработка, №10. 1995. С. 411

90. Ковшов В.Н. Постановка инженерного эксперимента. Киев - Донецк: Вища школа. Головное изд-во 1982. - 120 с.

91. Горский В.П., Адлер Ю.П. Планирование промышленных экспериментов. М.: Металлургия, 1974. - 264 с.

92. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография М.: Металлургиздат, 1958.-446 с.

93. Русин П.И., Шапкин В.М., Пустовойт В.Н. и др. К методике определения остаточных тангенциальных напряжений в деталях кольцевой формы // Завод, лаборатория. 1976. - №6. - С. 733 - 735.

94. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента: Справочное пособие. М.: Наука, 1971. - 142 с.

95. Уманский Я.С., Скаков Ю.А. и др. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия М.: Металлургия, 1982. - 182 с.

96. Koritta J., Franek A., Hutnieke Listy №13 (12), 1958

97. Копейкин B.A., Петрова А.П., Рашкован И.Л. Материалы на основе металлофосфатов. М.: Химия, 1976. - 200 с.

98. Авторское свидетельство СССР № 530913, кл. С22В 9/02 Дегазатор для легированных алюминиевых сплавов/ Л.С. Авдентов, Ю.Н. Бадаев, В.И. Михайлов, СЛ. Потанин и др.; заявлен 11.05.75; опубликован 05.10.76.

99. Поршни алюминиевые автомобильных двигателей: технические требования и методы контроля РД 37.001.625-93. М.: НАМИ, 1993. - 6 с.

100. Платонов В.Н., Проворов В.П., Поршнев Ю.С. Поршневые сплавы на основе алюминия // Двигателестроение. 1980, № 9. С. 40-44.

101. Колобнев И.Ф., Крымов А.В. Справочник литейщика: Цветное литьё из легких сплавов. Изд. 2-е, переработ, и доп. М.: Машиностроение, 1974. -416 с.

102. Kohl, Eberhard, Grundsetzliche. Uberlegunden zur Kuglung von Kolbe, Motortechn. Z, 1970,31, №2, S. 53-57

103. Nauman, Horst. Pistons for Diesel Engines One - Prise or Built - Up -Construction, Motortechn. Z, 1970,31, №2, S. 73-75

104. Потанин СЛ. Изыскание сплава типа заэвтектический силумин для поршней автотракторных дизелей: Дис. канд. техн. наук. М.: ВЗПИ, 1966. - 143 с.

105. Аристова Н.А., Колобнев И.Ф. Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1977. - 144 с.