автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологических основ электронно-лучевого упрочнения поршневых алюминиево-кремниевых сплавов

На правах рукописи

КРОВЯКОВ Константин Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО УПРОЧНЕНИЯ . ПОРШНЕВЫХ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.03.06 Технология и машины сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2000

Работа выполнена в Проблемной лаборатории "Процессы сварки н создания защитных покрытий" Алтайского государственного технического университета им.И.И.Ползунова.

Научный руководитель

- член-корр. Сибирского Отделения Академии наук высшей школы, доктор технических наук, профессор М.В.Радчснко

Научный консультант

- академик Международной академии наук высшей школы, член-корр. Академии инженерных наук РФ, лауреат Ленинской премии, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.Г.Радченко

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор С.М.Шанчуров

- кавдидат технических наук, старший научный сотрудник В.Г.Пинаев

Ведущая организация

- АОЗТ, Научно-производственный центр " КОМПОЗИТ-АНИТИМ"

Защита состоится 30 июня 2000 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета К 064.29.05 Алтайского государственного технического университета им.И.И.Ползунова (АлтГТУ) по адресу: 656099, Россия, г.Барнаул, пр-т Ленина, 46. Факс (385-2) - 36-79-03.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ. Автореферат разослан 18 мая 2000 г.

Ученый секретарь __^^

диссертационного совета, ^ /

кандидат технических наук, доцент О. Шевцов

■/£>/.6, о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие машиностроения в современном мире во многом обусловливается решением проблемы надежности подвижных сопряжений деталей машин на основе рационального конструирования, разработки высокопрочных материалов и методов их технологической обработки, выбора смазочных материалов и покрытий. Основной путь создания деталей нового поколения заключается в нанесении на их рабочие поверхности защитных и упрочняющих покрытий, которые имеют свойства, значительно отличающиеся от свойств основного материала деталей. Такое разделение функций позволяет многократно повысить надежность и ресурс работы деталей машин при одновременном снижении затрат на изготовление единицы продукции.

Поршень является важнейшей и наиболее напряженной деталью двигателя внутреннего сгорания. Ресурс работы поршня в целом определяется ресурсом работы его слабых мест, к числу которых в зависимости от конструкции поршня и условий его работы относятся: зоны кольцевых канавок под компрессионные кольца, кромка камеры сгорания, дншце и юбка поршня, жаровый пояс и отверстия для поршневого пальца. Для поршней дизельных двигателей проблема износа и разрушения слабых мест приобретает особую остроту, поскольку с повышением уровня форсирования дизельного двигателя значительно возрастают динамические нагрузки на поршень, что приводит к интенсификации износа его слабых мест. Как показывает анализ износов и разрушений поршней, из перечисленных слабых мест наиболее интенсивному износу подвержены зоны кольцевых канавок под компрессионные кольца, особенно зона первой кольцевой канавки. Образование предельного зазора между поршневым кольцом и канавкой в основном и определяет ресурс дизеля до переборки, расход топлива и масла, а также затраты на ремонт.

Материалом, используемым для изготовления поршней, являются преимущественно алюминиево-кремниевые сплавы (силумины). Поршни карбюраторных двигателей изготавливают из малокремнистых силуминов, в то время как поршни дизельных двигателей, особенно форсированных, выполняют из более жаропрочных высококремнистых силуминов эвтектического и заэвтектического состава. Однако для того, чтобы обеспечить удовлетворительную работу сопряжения первое

поршневое кольцо - канавка, износостойкости высококремнистых силуминов оказывается явно недостаточно. Таким образом, разработка эффективных технологических процессов для упрочнения кольцевых канавок поршней форсированных дизельных двигателей является актуальной и одной из основных задач современного машиностроения.

Электронно-лучевая обработка пучками низкой энергии благодаря ряду преимуществ (более высокий, чем при лазерной обработке к.п.д., значительно меньшие энергозатраты, вакуумная дегазация и рафинирование обрабатываемого металла, возможность полной автоматизации процесса) является одним из наиболее перспективных методов упрочнения поршневых сплавов.

Работа выполнена в Проблемной НИЛ "Процессы сварки и создания защитных покрытий" и в Зональной межвузовской НИЛ электронно-лучевой технологии АлтГТУ в соответствии с тематическим планом Единого заказ-наряда Минвуза РФ (1993...2000 г.г.), а также в рамках программ, включенных на конкурсной основе в: Региональную НТП "Сибирь" (1995... 1997 г.г.), Региональную НТП "Нефть и газ Сибири" (1993... 1997 г.г.), Региональную НТП "Алтай-наука" (1995... 1998 г.г.), Республиканскую межвузовскую НТП "Сварочные процессы" (1995... 1998 г.г.), Республиканскую межвузовскую НТП "Сварка и контроль" (1999 г.), и гранта Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области транспортной техники в 1999 г. (Раздел 5 "Технология производства транспортной техники").

Цель работы. Разработка технологических основ процесса упрочнения поршневых алюминиево-кремниевых сплавов методом электронно-лучевой обработки в вакууме.

Для достижения цели в работе были поставлены следующие научные и прикладные задачи исследований:

- провести экспериментальные исследования по выявлению влияния технологических параметров режима электронно-лучевого упрочнения на геометрические характеристики упрочненных слоев; с использованием регрессионных моделей оптимизировать технологию упрочнения кольцевых канавок поршней под компрессионные кольца.

- исследовать физико-механические свойства упрочненного металла: твердость, в том числе при высоких температурах, микротвердость, износостойкость, плотность.

- установить качественную и количественную взаимосвязь структуры и свойств металла, наплавленного с легирующими добавками.

- оценить теплостойкость основного и упрочненного металла; выявить механизм разупрочнения от температурного воздействия методом исследования кинетики старения.

- разработать технологические рекомендации по практическому использованию технолопга электронно-лучевого упрочнения; выявить области рационального использования разработанного способа упрочнения поршневых сплавов.

Методы исследований. Экспериментальные исследования процесса электронно-лучевой обработай в вакууме проводили на заготовках поршней, отлитых из заэвтекгического силумина, с использованием злскгронно-лучевого энергетического комплекса ЭЛА-5 на основе пушки с плазменным эмиттером.

Микрострукгурные исследования выполняли на оптическом микроскопе МИМ-8М и растровом электронном микроскопе Tesla BS-300. Твердость и микротвердостъ упрочненных слоев измеряли на приборах 2109ТБ и ПМТ-ЗМ. Испытания на теплостойкость и исследование кинетики старения сплавов проводили методом измерения механических свойств. В качестве источника нагрева использовали печь типа "CHOJT.

Исследования износостойкости выполняли по модернизированной методике в условиях сухого и масляного трения скольжения со схемой изнашивания "пальчиковый образец - диск". Износ контролировали; по потере массы на аналитических весах BJIP-200.

Построение математических моделей и оценку их качества проводи при помощи программы "BESSER", которая предназначена для построения регрессионных моделей в прикладных статистических исследованиях. Основой программы является алгоритм поиска лучшей регрессионной модели, построенной методом наименьших квадратов.

Достоверность полученных результатов при решении поставленных в диссертационной работе задач обеспечивали использованием совремешгых приборов, оборудования, компьютерной техники и методик экспериментальных и теоретических исследований, а также получением адекватных практических результатов.

Научная новизна.

- впервые метод электронно-лучевого упрочнения с легированием научно обоснованно применен для создания слоев с высокими механическими свойствами на поверхности поршневых алюминиево-кремние-

вых сплавов. На разработанный способ получено положительное решение по заявке на патент № 98123272/02 от 21.12.1998 г.

- установлены рациональные технологические параметры режима электронно-лучевого упрочнения применительно к обработке зон кольцевых канавок под компрессионные кольца.

- получены новые экспериментальные данные о физико-механических свойствах упрочненного металла, в том числе при высоких температурах; установлено, что в слоях, упрочненных с легированием, на алюминиевой основе со структурой эвтектики сложного состава возможно получение твердости до 2300 МПа по Бринеллю, и сохранение высоких показателей твердости при повышенных температурах.

- установлена зависимость физико-механических свойств упрочненного металла от количества легирующих элементов, вводимых при наплавке; разработаны рекомендации по управлению формированием микроструктуры с целью получения упрочненного металла с заданным комплексом механических свойств.

Практическая ценность работы. Разработана технология электронно-лучевого упрочнения поршневых силуминов, которая может быть использована для упрочнения слабых мест поршней, например кольцевых канавок под компрессионные кольца. Разработанный технологический процесс упрочнения поршневых силуминов прошел опытно-промышленную проверку и внедрен на научно-производственной фирме (НПФ) "ЭЛИОМ" (г.Барнаул).

Диссертационные исследования и разработки используются в учебном процессе АлтГТУ при выполнении дипломных проектов, лабораторных занятий и научно-исследовательских работ студентов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований по выявлению влияния технологических параметров процесса электронно-лучевой обработки на геометрические характеристики упрочненных слоев с использованием метода планирования эксперимента и последующим построением регрессионных математических моделей.

- результаты исследований микроструктуры поршневого сплава в исходном состоянии и после его упрочнения методом электроннолучевой технологии.

- результаты исследования кинетики старения упрочненных слоев, на основании которых выявлен механизм разупрочнения обработанного металла от воздействия температуры.

- установленные зависимости физико-механических свойств (твердости, в том числе при высоких температурах, микротвердости, плотности, износостойкости) основного и упрочненного металла и их взаимосвязь со структурно-фазовым состоянием обработанного металла и содержанием в нем легирующих элементов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (г.Барнаул, 1998 г.), XXX Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы современного строительства" (г. Пенза, 1999 г.), научно-технической конференции студентов и аспирантов Рубцовского индустриального института (г.Рубцовск, 1999 г.), V Межгосударственном семинаре "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (г.Обнинск, 1999 г.), Ш Международном Российско-Корейском симпозиуме (KORUS'99) (г.Новосибирск, 1999 г.), Международной молодежной научной конференции "XXV Гагаринские чтения" (г.Москва, 1999 г.), 1 Международной научно-технической конференции "Металлофизика и деформирование перспективных материалов (Металлдеформ-99)" (г.Самара, 1999 г.), 56-й научно-технической конференции студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (г.Барнаул, 1999 г.), научно-практической конференции "Наука - городу Барнаулу" (г.Барнаул, 1999 г.). Диссертация обсуждалась на научно-технических семинарах кафедры "Малый бизнес и сварочное производство" АлтГТУ.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 22 научных работах, в том числе в 3-х отчетах по научным темам, прошедших государственную регистрацию. Получено положительное решение по заявке на патент № 98123272/02 от 21.12.1998 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и приложешш. Работа изложена на 203 страницах и содержит 56 рисунков, 20 таблиц. Список использованной литературы содержит 178 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулирована ее цель и приведены основные положения работы.

В первой главе на основании изучения отечественных и зарубежных литературных источников проведен аналитический обзор, в котором дана характеристика алюминиевых сплавов, используемых для изготовления поршней, и подробно рассмотрены основные технологические процессы создания упрочненных слоев на поверхности поршневых сплавов. Раскрыты преимущества и недостатки каждого из рассмотренных процессов, показаны области их рационального использования.

Анализ работ показал, что существуют основные направления упрочнения поршневых сплавов: использование вставок из нирезиста, стали, чугуна, керамики, расположенных в наиболее нагруженных зонах поршней; применение армирующих волокон; использование гальванических, плазменных и иных покрытий толщиной в несколько десятков микрометров; создание локальных упрочненных слоев на поверхности поршневых сплавов с использованием в качестве технологического инструмента импульсной дуги, плазменной струи, лазерного и электронного лучей. Способы упрочнения поршневых сплавов с использованием дуговых и лучевых источников нагрева являются относительно простыми и более технологичными техническими решениями, которые получили наибольшее распространение.

Существуют многочисленные исследования в этом направлении, среди которых можно отметить работы по упрочнению поршневых сплавов методом импульсно-дуговой наплавки в аргоне таких авторов, как В.Я.Зусин, В.И.Черноиванов, Г.Н.Вайнер, Л.А.Глозман, О.Б.Носовская, Н.М.Воропай, В.В.Лесных, В.А.Мишенков. Упрочнение слабых мест поршней методом импульсно-дуговой технологии заключается в создании на поверхности поршневого сплава локальной зоны наплавленного металла. В случае упрочнения кольцевых канавок поршней геометрические размеры наплавленного металла должны быть достаточны для последующего протачивания в нем кольцевой канавки.

Плазменная технология упрочнения поршневых сплавов имеет много общего с импульсно-дуговой, однако отличается улучшенным формированием наплавленного валика за счет более высокой плотности мощности в пятне нагрева. Разработкой технолопш плазменной наплавки занимались А.И.Сидоров, В.И.Астахин, А.Н.Шалай, М.Д.Никитин, А.И.Верба, Н.В.Игнатьев, В.Р.Рябов, Д.М.Рабкин, А.Н. Муравейник, Г.Н.Волошин, А.Д.Стретович, Н.А.Куцын.

Существенный вклад в теорию и практику создания упрочненных слоев с использованием лазерной технологии внесли В.И.Волгин, А.Г.Григорьянц, А.Н.Сафонов, Н.А.Макупгева, И.Ф.Дериглазова, Б.Ф.Мульченко, И.В.Боголюбова, А.Н.Гречин, И.Р.Шляпина, И.А.Гре-чина, Л.Ш.Набутовский, З.С.Сазонова, В.Д.Александров. Лазерная технология имеет характерную особенность - получение упрочненного слоя небольших толщин (до 1 мм), что лимитируется особенностями серийно выпускаемых технологических лазеров, имеющих невысокую мощность (2...3 кВт), которой недостаточно для достижения более высокой глубины проплавления. Поэтому, лазерная обработка является процессом только поверхностного упрочнения, что накладывает определенные трудности на технологию упрочнения кольцевых канавок поршней. Лазерную обработку необходимо проводить на стенках уже предварительно проточенной канавки с последующим шлифованием тонкого слоя упрочненного металла, что усложняет и удорожает реализацию данной технологии.

Отличительным признаком технологических процессов импульс-но-дугового, плазменного и лазерного упрочнения поршневых сплавов является ограниченная область применения данных способов. Подавляющее большинство технологий разработано применительно к поршням, изготовленным го эвтектических или доэвтекгических алюми-ниево-кремниевых сплавов, которые используют для изготовления поршней карбюраторных двигателей или дизелей с ограниченным уровнем форсирования. Но для заэвтектических сплавов, используемых при изготовлении поршней мощных быстроходных дизельных двигателей, дуговые технологии не могут быть использованы ввиду недостаточной концентрации энергии в пятне нагрева при расплавлении (порядка 104 Вт/см2). Вследствие этого увеличиваются время нагрева, плавления, кристаллизации с вероятностью трещинообразования в упрочненном металле за счет большого температурного интервала "ликвидус-солидус".

Проблемой разработки электронно-лучевой технологии упрочнения поршневых сплавов занимались О.КНазаренко, A.A. Бондарев, А.П.Попович, В.Ю.Чернов, МВ.Радченко, Н.И.Батырев, Ю.О.Шевцов. Электронно-лучевая обработка является технологическим процессом, сочетающим в себе положительные стороны использования дуговых источников нагрева и лазерного луча. Энергетические характеристики электронного луча как источника нагрева дают возможность получать

как значительные глубины проплавления поршневого сплава (достаточные для последующего протачивания в нем кольцевых канавок поршня), что также характерно при использовании дуговых источников нагрева, так и небольших глубин проплавления, что имеет место при лазерном поверхностном упрочнении. Таким образом, электронный луч является универсальным технологическим инструментом, при использовании которого также обеспечены минимальные напряжения и деформации упрочненного изделия после обработки, а наличие вакуума в качестве рабочей среды позволяет отказаться от применения для защиты расплавленного металла дорогостоящих инертных газов, которые необходимы при дуговых и лазерном способах упрочнения.

На момент начала исследований в научных публикациях, в том числе зарубежных, довольно подробно изучены вопросы, касающиеся упрочнения эвтектических или доэвтсктических поршневых сплавов. Однако, научные проблемы, посвященные разработке технологии упрочнения заэвтектических поршневых сплавов, решены в гораздо меньшей степени (в работах сотрудников межвузовской НИЛ электронно-лучевой технологии АлтГТУ). Вместе с тем, следует отметить, что заэвтектические силумины составляют большой класс среди поршневых сплавов и являются единственным конструкционным материалом, используемым для изготовления поршней быстроходных форсированных дизельных двигателей. Поэтому, разработка и совершенствование эффективных технологических процессов является актуальной проблемой, для решения которой были поставлены изложенные выше научные и прикладные задачи, выполненные в процессе проведения исследований.

Во второй главе приведено обоснование выбора поршневого сплава для создания упрочненных слоев и системы легирования с целью получения наплавленного металла, обладающего высоким комплексом механических свойств. Описана методика электронно-лучевого упрочнения в вакууме и технологическая аппаратура для ее реализации. Дана характеристика стандартных и модернизированных методов исследования микроструктуры, фазового состава и физико-механических свойств основного и упрочненного металла.

В качестве поршневого сплава для проведения исследований в работе был выбран силумин заэвтектического состава марки АК21М2,5Н2,5 (ГОСТ 1583-89). Данный сплав является типичным представителем жаропрочных высококремнистых силуминов, механи-

чсские свойства которых близки друг к другу (отличие составляет в среднем не более 15%). Следовательно, результаты исследований применительно к сплаву АК21М2,5Н2,5 с незначительными коррективами могут быть распространены на большую часть класса заэвтектических сплавов.

Выбор легирующих элементов проведен по критерию, который заключается в том, чтобы получить поршневой силумин, имеющий повышенные жаропрочность и износостойкость. Анализ многочисленных литературных данных показал, что повышенная жаропрочность достигается легированием а-твердого раствора алюминия медью, никелем и хромом, и упрочнением границ зерен частицами вторых фаз химических соединений, содержащих эти элементы. Перечисленные элементы способны образовывать с алюминием твердые тугоплавкие алюминиды, в результате чего происходит насыщение алюминиевого сплава интерметаллидными фазами, которые в зависимости от их количества придают металлу новые свойства. Поэтому, в качестве легирующих элементов были выбраны: сплав нихром марки Х20Н80 (ГОСТ 10994-74) и медь марки М1 (ГОСТ 859-78), которые вводили в расплавленный поршневой сплав в виде присадочных проволок Количество подаваемой проволоки расчитывали таким образом, чтобы среднее содержание нихрома или меди в наплавленном металле составило 1,2,3 и 4%.

Процесс упрочнения проводили в вакуумной камере. Вакуум является универсальной средой, в которой происходит формирование электронного луча и одновременно имеет место надежная защита расплавленного металла от атмосферного воздуха, а также его металлургическая обработка. Для интенсификации процесса дегазации наплавленного металла и получения гомогенной микроструктуры проводили сканирование электронного луча по окружности.

В третьей главе проведены исследования микроструктур и фазового состава основного и упрочненного электронным лучом металла, определена степень однородности полученных микроструктур, выявлен механизм упрочнения поршневого сплава в результате электроннолучевой обработки.

Микроструктура сплава АК21М2,5Н2,5 в исходном состоянии показана на рис.1,а. Структура представляет собой эвтектику, в которой распределены крупные первичные кристаллы кремния неправильной формы, средний размер которых составляет 25...60 мкм. Они содержат

около 40% имеющегося в сплаве кремния, остальная часть которого кристаллизуется в виде эвтектических выделений игольчато-пластинчатого строения. Кроме кремния, в эвтектике содержатся интерметаллид-ные и силицидные фазы №А13, СиА12, РеА13, СгА17, М§251.

а) Основной металл (х400)

б) Зона сплавления (х400)

в) Металл, упрочненный без легирования (хЮОО)

г) Металл, легированный нихромом (хЮОО)

д) Металл, легированный медью (хЮОО)

е) Дендриты в наплавленном металле (хбООО)

Рис.1. Микроструктуры сплава АК21М2,5Н2,5 в исходном состоянии и после электронно-лучевого упрочнения (уменьш. в 3 раза)

Эвтектические выделения кремния имеют характерные размеры 15...45 мкм. Интерметаллидные фазы преимущественно имеют форму пластин (размером до 100 мкм) и паукообразных разветвлений.

Ввиду неоднородности и крупнодисперсности микроструктуры износостойкость поршневого сплава невысока, поскольку при изнашивании в условиях ударно-механического воздействия происходит выкрашивание крупных включений кремния, обладающих высокой твердостью, из мягкой алюминиевой матрицы, что приводит к интенсификации износа. Поэтом}1, для повышения механических свойств, в частности износостойкости, необходимо видоизменить, измельчить исходную микроструктуру, а также насытить ее легирующими элементами, которые образуют с алюминием твердые тугоплавкие алюминиды.

После электронно-лучевого упрочнения микроструктура принципиально другая. Наблюдается значительное диспергирование структурных составляющих. Размер кремниевых включений уменьшается в 8...10 раз, с 25...60 мкм до 3...10 мкм (рис.1, в, г, д), их количество возрастает в 15 раз, тогда как занимаемая ими площадь осталась практически неизменной. В структуре легированного металла обнаружена дендритная составляющая, которая классифицирована как результат кристаллизации эвтектики "алюминий-кремний". Измеренный размер дендритного параметра (расстояние между вторичными ветвями денд-ритов) составил 1,4...2,2 мкм (рис.1, е).

Зона сплавления упрочненного металла с основным металлом (рис. 1,6) не имеет резко очерчешгой границы. На расстоянии до 0,2...0,3 мм от условной границы сплавления в упрочненном металле имеются отдельные первичные кристаллы кремния размером 15...25 мкм. Более мелкий размер кремниевых включений указывает на то, что они подплавились. Это говорит о том, что температура в этой области не превышала линии ликвидуса и кремний не успел полностью расплавиться ввиду скоротечности процесса обработки.

При легировании нихромом во всем диапазоне его содержания (от 1 до 4%) размеры дендритного параметра близки друг к другу. С повышением содержания нихрома в наплавленном металле не обнаружено характерных изменений в микроструктуре. Структура металла, легированного медью, также имеет дендритное строение (рис.1, д), но в этом случае дендриты более компактны, в то время как при легировании нихромом они имеют более разветвленную форму.

Анализ микроструктур позволяет сделать вывод об их существенном различии. Во-первых, средний размер кремниевых включений возрастает в следующем порядке: упрочнение без легирования - легирование медью - легирование нихромом. Во-вторых, при упрочнении без легирования дендритной составляющей практически не просматривается, при легировании медью имеются компактные дендриты (у которых фактически нет вторичных ветвей), и при легировании нихромом дендриты приобретают более характерную форм}', с хорошо сформированными вторичными ветвями. Причина структурных особенностей заключается в различии условий кристаллизации расплавленного металла, которые в свою очередь влияют на микроструктуру.

Поршневые сплавы эксплуатируются в условиях циклического изменения температуры. Для оценки влияния этого фактора были проведены испытания основного и упрочненного металла на термо-циклирование (ТЦ). Цель проведения ТЦ заключалась в том, чтобы испытать металл на теплостойкость. Метод проведения ТЦ: нагрев до температуры 250 °С, выдержка при этой температуре 1 час, и охлаждение на спокойном воздухе. Количество последовательно проведенных термоциклов - 12. После проведения ТЦ были выполнены повторные исследования микроструктуры и механических свойств основного и упрочненного металла. Обнаружено, что в основном металле имеет место растрескивание интерметаллидных фаз вследствие термоусталостных напряжений. В микроструктуре упрочненного металла видимых изменений не обнаружено.

Цель исследования характера распределения микротвердости заключалась в том, чтобы оценить степень однородности микроструктур. Микротвердость структурных составляющих основного металла характеризуется высоким разбросом значений: для а-твердого раствора она находится в пределах 850... 1600 МПа, у кремния - она в 10...12 раз выше (11744... 13264 МПа). Микротвердость на участках скоплений интерметаллидных фаз (иногда вперемешку с эвтектическими выделениями кремния) находится в диапазоне от 1600 до 2400 МПа. Структура металла после электронно-лучевого упрочнения высокодисперсная, поэтому не представляется возможным измерить микротвердость отдельных структурных составляющих, т.е. измеренные значения микротвердости относятся ко всей структуре в целом. На рис.2 и 3 показаны диапазоны возможных значений микротвердости и наиболее вероятная

микротвердость металла в зависимости от содержания легирующих элементов в наплавленном металле.

Рис.2. Зависимость микротвердости от содержания нихрома в наплавленном металле до (I) и после (II) термоциклирования (о.м. - основной металл)

Рис.3. Зависимость микротвердости от содержания меда в наплавленном металле до (I) и после (П) термоциклирования (б.л. - упрочнение без легирования)'

Микротвердость структуры металла, наплавленного с легированием нихромом, почти линейно возрастает с повышением содержания легирующего элемента (рис.2). Повышение микротвердости вызвано

увеличением содержания высокодисперсных ингерметаллидных фаз на основе никеля и хрома в наплавленном металле. С повышением содержания нихрома возрастает степень насыщения а-твердого раствора алюминия интерметаллидами, что обеспечивает повышение наиболее вероятного значения микротвердости примерно в 1,7 раза. После ТЦ микротвердость незначительно снижается (на 7... 12%) во всем диапазоне содержания легирующего элемента. Причиной является частичный распад пересыщенного твердого раствора, что подтверждено исследованием кинетики старения, и снятие внутренних напряжений в литой структуре наплавленного металла.

Микротвердость металла, упрочненного без легирования (рис.3), в среднем в 1,2 раза выше, чем микротвердость а-твердого раствора основного металла (рис.2). Кроме этого, с измельчением структуры происходит сглаживание колебаний значений микротвердости эвтектики и кремния; если в основном металле разброс составляет в 10... 12 раз, то в упрочненном без легирования металле - всего в 2 раза. После ТЦ микротвердость металла, упрочненного без легирования, снижается на 9%, что значительно ниже снижения микротвердости а-твердого раствора основного металла (30%).

Микротвердость металла, легированного медью, также возрастает почти линейно (рис.3). Причина повышения микротвердости заключается в структурных изменениях, аналогичных имеющим место при упрочнении без легирования, и дополнительно, в пересыщении а-твердого раствора атомами меди. Но такая зависимость имеет место только в исходном состоянии. После ТЦ характер зависимости резко изменяется, образуя экстремум на кривой наиболее вероятной микротвердости при содержании меди 2%. Таким образом, линейная зависимость вырождается в более сложную. ТЦ показало, что металл, наплавленный с медью, не обладает термической стабильностью в области содержатся меди в количестве 3 и 4%. Если первоначальные значения микротвердости здесь высоки, то после ТЦ микротвердость снижается- на 30...33%. Исследование кинетики старения показало, что при температуре 250 °С происходит коагуляционное старение высокомедистого наплавленного металла с заметным падением механических свойств. Но в области содержания меди в количестве 1 и 2% величина снижения незначительна и составляет всего 7...10%, т.е. в 3,5...4 раза меньше. Следовательно, введение при наплавке меди в количестве

более 2% нецелесообразно, что также было подтверждено дальнейшими исследованиями механических свойств.

В четвертой главе исследовано влияние параметров режима электронно-лучевого упрочнения на геометрические характеристики обработанного металла, проведена оптимизация параметров режима упрочнения, исследованы физико-механические свойства металла, упрочненного по различным технологическим вариантам, и их зависимость от содержания легирующих элементов, сформулированы технологические рекомендации по достижению требуемых свойств упрочненного поршневого сплава.

Цель исследования влияния технологических параметров процесса электронно-лучевой обработки на геометрические характеристики упрочненных слоев заключалась в том, чтобы оптимизировать технологию электронно-лучевого упрочнения применительно к обработке зон кольцевых канавок под компрессионные кольца. В качестве параметров оптимизации были приняты требуемые глубина и ширина упрочненной зоны в теле поршня. Под требуемыми геометрическими размерами зоны упрочненного металла понимаются размеры, которые необходимы для последующего протачивания кольцевой канавки в обработанном металле.

Для решения поставленной задачи был разработан план эксперимента, задача которого состояла в том, чтобы выяснить влияние энергетических параметров электронного луча на глубину и ширину про-плавления. В качестве независимых переменных были приняты плотность мощности и скорость обработки, диапазоны варьирования которых: q = (0,149...0,267) 105 Вт/см2 (при токе луча 1Л = 100...180 тА (шаг 20 шА)); скорость обработки Уя = 6... 12 мм/с (шаг 2 мм/с). После получения экспериментальных данных проводили их обработку с использованием компьютерной программы построения регрессионных моделей BESSER. Построенные модели показаны на рис.4,5.

Зависимость глубины проплавлення от q и Ул описывается линейной моделью: hnp = 5,182 + 0,044 q - 0,409 Ул.

Проверку адекватности моделей проводили по критерию Фишера.

Зависимость ширины противления от q и V, описывается кубической моделью, которая для этого случая является простейшей адекватной моделью: е = 20,559 - 3,894 Ул + 3,137 10"5 q2 + 0,372 Ул -0,013 Ул3.

Рис.4. Зависимость глубины проплавления от плотности мощности и скорости обработки. Уравнение модели:ЬГф =5,182 + 0,044 q - 0,409 VI

Рис.5. Зависимость ширины проплавления от плотности мощности и скорости обработки. Уравнение модели: е = 20,559 - 3,894 Ул + + 3,137 10"5 ц2 + 0,372 Ул2 - 0,013 Ул3.

Анализ регрессионных моделей позволил оптимизировать технологию электронно-лучевого упрочнения поршневых сплавов по критериям: обеспечение необходимой геометрии упрочненной зоны и получение бездефектного упрочненного металла.

Установлено, что оптимальными параметрами режима являются: плотность мощности q= 0,208105 Вт/см2 (при токе луча 1л = 140 тА) и скорость обработки V-, = 8 мм/с, с использованием которых были выполнены экспериментальные исследования.

При исследовании механических свойств одной из важнейших характеристик является твердость металла, особенно при рабочих температурах поршня. С этой целью были проведены исследования твердости основного и упрочненного металла при высоких температурах. Измерения твердости проведены в диапазоне температур от 100 до 300 °С для металла до и после ТЦ.

Установлено, что в результате легирования поршневого сплава нихромом (рис.6) происходит почти линейное возрастание твердости наплавленного металла, которая при комнатной температуре превосходит твердость основного металла в 2,7 раза при содержании нихрома в количестве 4%. С повышением температуры темп снижения твердости наплавленного и основного металла в целом аналогичны, но при этом относительная разница в твердости увеличивается. Например, при 250 °С твердость металла, легированного нихромом в количестве 4% выше твердости основного металла в 3,4 раза.

При легировании поршневого сплава медью (рис.7) с повышением процентного содержания меди в наплавленном металле происходит возрастание его твердости от 1590 МПа до 2070 МПа при содержании меди от 1 до 4% соответственно. Однако, после проведения ТЦ твердость металла, наплавленного с легированием медью в количестве 3 и 4%, резко снижается от 2070 до 1560 МПа, т.е. на 25%, в то время как снижение твердости при содержании меди 1 и 2% происходит всего на 6...8%.

Следует отмстить, что при использовании в качестве наплавочного материала меди в количестве 1 и 2%, упрочненный металл обладает более высокой твердостью, чем упрочненный металл с аналогичным содержанием нихрома. Следовательно, для получения твердости упрочненного металла в диапазоне 1500... 1750 МПа целесообразно использовать в качестве легирующего материала медь, а для получения твердости в районе 2000...2300 МПа - нихром.

Рис.6. Общий вид зависимости твердости от температуры и содержания нихрома до (I) и после (II) термоциклирования

содержания меди до (I) и после (И) термоциклирования

На заключительном этапе работы проводили сравнительные испытания основного и упрочненного электронным лучом металла на износостойкость.

Испытания проводили в паре: основной и упрочненный металл, на лабораторной машине трения в условиях трения скольжения по схеме "пальчиковый образец-диск". Условия истирания: сухое и масляное. Износ контролировали по потере массы, отнесенной к единице площади износа.

По результатам испытаний построены зависимости износа упрочненного поршневого сплава от содержания легирующих элементов, представленные на рис.8.

Рис.8. Зависимость износостойкости наплавленного металла от содержания нихрома (1,1') и меди (2,2') в условиях сухого (I) и масляного (II) трения (штрих над цифрой - металл после ТЦ)

Установлено, что с повышением содержания нихрома в наплавленном металле его износостойкость в условиях сухого трения возрастает по линейному закону. При масляном трении имеет место скачкообразное повышение износостойкости при переходе от 2 к 3% содержания нихрома.

С увеличением количества меди в наплавленном металле его износостойкость в условиях сухого и масляного трети возрастает при переходе от 1 к 2% меди, а в дальнейшем изменяется незначительно.

Термоциклирование приводит к несущественному снижению износостойкости для большинства исследованных металлов. Исключением является металл, легированный медью в количестве 3 и 4%, износостойкость которого резко падает после проведения ТЦ. Это подтверждает данные предыдущих исследований о нецелесообразности легирования поршневого сплава медью в указанном количестве.

В пятой главе на основании выполненных в диссертационной работе исследований разработаны научно обоснованные рекомендации по созданию упрочненных слоев на быстроизнашивающихся локальных участках поршней.

Промышленные испытания поршней с упрощенными методом электронно-лучевой технологии кольцевыми канавками под компрессионные кольца показали повышение моторесурса поршней в 3 раза по сравнению с неупрочненными поршнями. Определены рациональные области использования технологии упрочнения поршней, представлены образцы поршневых заготовок с упрочненными локальными зонами под кольцевые канавки.

Практическая реализация технологии осуществлена на НПФ "ЭЛИОМ", где с учетом разработанных рекомендаций проводится упрочнение слабых мест поршней двигателей внутреннего сгорания.

В приложении приведены акты практического использования результатов проведенных исследований и вспомогательный материал справочного характера.

Общие выводы: 1. Электронно-лучевое упрощение в вакууме с легированием поршневых алюминиево-кремниевых сплавов является эффективным технологическим процессом, обеспечивающим получение металла с высоким комплексом механических свойств.

2. Экспериментально определены оптимальные параметры режима для упрочнения зон кольцевых канавок поршней с глубиной до 6 мм: ускоряющее напряжение - 28 кВ, ток луча - 140 тА, скорость обработки - 8 мм/с. При использовании оптимизированных параметров режима обеспечиваются необходимые геометрические размеры упрочненного металла в поперечном сечении и отсутствие макродефектов.

3. В процессе электронно-лучевого упрочнения происходит значительное диспергирование структурных составляющих исходного поршневого сплава (в 8...10 раз). Полученная мелкодисперсная структура имеет дендритное строение с размерами дендритного параметра 1,4... 2,2 мкм и отличается достаточной гомогенностью.

4. Установлено влияние легирующих элементов (нихрома и меди) и их количества (от 1 до 4%) на структуру и физико-механические свойства наплавленного электронным лучом металла (твердость, в том числе при высоких температурах, микротвердость, износостойкость).

5. Проведена оценка теплостойкости наплавленного металла. По критерию сохранения достаточно высоких механических свойств после воздействия температуры определено оптимальное содержание меди в наплавленном металле, которое составило 1...2%. При использовании легирования медью в указанном количестве возможно получение и последующее сохранение твердости до 1750 МПа по Бринеллю. Легирование нихромом целесообразно проводить в количестве 3...4%, что обеспечивает достижение твердости до 2000...2300 МПа по Бр1шсллю.

6. Исследована износостойкость поршневого сплава в исходном состоянии и после электронно-лучевого упрочнения. Установлены зависимости износостойкости от содержания легирующих элементов в наплавленном металле. Выявлено влияние структуры на механические свойства: твердость, микротвердость и износостойкость для основного и упрочненного электронным лучом металла. С повышением твердости возрастает износостойкость наплавленного металла, которая достигает максимального значения - 7,5 раза по отношению к основном}' металл}' при легировании нихромом в количестве 4%.

7. На основании проведенных исследований разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию локальных упрочненных зон на поверхности поршневых алюминиево-кремниевых сплавов. С учетом разработанных технологических рекомендаций проводится упрочнение кольцевых канавок поршней под компрессионные кольца на научно-производственной фирме "ЭЛИОМ".

Содержание диссертации опубликовано в основных работах:

1. Радченко В.Г., Радченко М.В., Шевцов Ю.О., Белянина Т.Н., Дружинин A.B., Кровяков К.С. Фундаментальные основы создания высоких технологий специального машиностроения. Отчет о НИР / Алт. гос. техн. ун-т им.И.И.Ползунова. Руководитель В.Г.Радченко. Г.Р. № 1960010601. Барнаул, 1997. 57 с.

2. Радченко В.Г., Радченко М.В., Шевцов Ю.О., Белянина Т.Н., Дружинин A.B., Кровяков К.С. Экспериментальные исследования влияния технологических параметров оплавления электронным лучом

на формирование упрочненных сплавов. Отчет о НИР / Алт. гос. техн. ун-т им.И.И.Ползунова. Руководитель В.Г.Радченко. Г.Р.№1970002458. Барнаул, 1997. 86 с.

3. Радченко М.В., Радченко В.Г., Шевцов Ю.О., Пильберг Е.В., Белянина Т.Н., Дружинин A.B., Кровяков К.С. Комплексные исследования и создание производственной базы для формирования защитных покрытий на поверхностях деталей машин и инструменте с использованием низкоэнергетических электронных пучков в вакууме: Отчет о НИР / Алт. гос. техн. ун-т им.ИИ.Ползунова. Руководитель В.Г.Рад-ченко. Г.Р.№ 01970000740. Барнаул, 1997. 78 с.

4. Радченко М.В., Кровяков К.С. Сравнительный анализ способов упрочнения первой кольцевой канавки поршней ДВС / Материалы и технологии защитных покрытий: Сб.науч.трудов // Алт. гос. техн. ун-т им.ИИ.Ползунова. Барнаул, 1998. С.64-72.

5. Радченко М.В., Кровяков К.С. Исследование структуры и свойств поршневого алюминиевого сплава, обработанного электронным лучом. Сварочное производство. 1998. № 11. С.9-12.

6. Кровяков К.С., Радченко М.В. Обзор процессов поверхностной и локальной модификации поршневых сплавов с использованием в качестве технологического инструмента лучевых источников нагрева / Алт.гос.техн.ун-т им.И.И.Ползунова.- Барнаул, 1999.- 27 е.: ил,-Библиогр.: 31 назв.- Деп в ВИНИТИ 07.06.99, № 1831-В99.

7. Кровяков К. С. Модифицирование поршневых сплавов воздействием пучка низкоэнергетических электронов в вакууме // Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-V). V Межгосударственный семинар: Тезисы докладов. Обнинск, 1999. С.66, 67

8. Krovyakov K.S., Radchenko M.V. Hardening of ring piston groove in the forced engine by electron beam remelting in vacuum // The third Russian-Korean International Symposium on Science and Technology (KORUS'99). Vol.1. Novosibirsk, 1999. C.408.

9. Радченко M.B., Кровяков К.С. Формирование структуры и свойств поршневых алюминиевых сплавов в процессе электроннолучевой обработки // Сб.трудов 1-й Международной научн.-тсхн. конф. "Металлофизика и деформирование перспективных материалов (Металлдеформ-99)". Секция 2 "Формирование структуры и свойств конструкционных металлов и сплавов в процессах литья, ОМД и термообработки". Самара, 1999. С. 130-136.

10. Радченко М.В., Кровяков К.С. Передовые электронно-лучевые технологии в производстве поршней дизельных двигателей. Вестник Сибирского отделения АН ВШ. 1999. № 2. С.30-36.

11. Radchenko M.V., Krovyakov K.S. Examination of the structure and properties of a piston aluminium alloy treated with an electron beam. Welding International. 1999. Vol.13. № 5. C.396-398.

12. Радченко M.B., Радченко В.Г., Кровяков К.С. Получение упрочненных слоев на поверхности поршней из силуминов методом электронно-лучевой наплавки. Сварочное производство. 1999.№11.С.48-51.

13. Радченко В.Г., Радченко М.В., Кровяков К.С. Металлургические аспекты технологии создания упрочненных слоев на поверхности поршневых силуминов / Перспективы горно-металлургической индустрии: Сб.науч. трудов // Сибирский гос. индустриальный ун-т. Новокузнецк, 1999. С.300-307.

14. Положительное решение по заявке на патент № 98123272/02 (025268), Россия МГЖ F 16 J 1/02, В 23 К 15/00, В 23 Р 6/02. Способ упрочнения зон кольцевых канавок поршня двигателя внутреннего сгорания / М.В.Радченко, Н.И.Батырев, К.С.Кровяков, Ю.О.Шевцов; Заявлено 21.12.1998 г.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Современные алюминиевые поршневые сплавы.

1.1.1. Характеристика сплавов для поршней, используемых в отечественном и зарубежном двигателестроении.

1.1.2. Основные направления совершенствования поршневых сплавов.

1.2. Анализ существующих технологий создания упрочненных слоев на поверхности алюминиевых поршневых сплавов.

1.2.1. Локальное упрочнение и его особенности.

1.2.2. Упрочнение методом заливки кольцедержателей.

1.2.3. Использование композиционных материалов.

1.2.4. Создание на поверхности силуминов защитных покрытий небольшой толщины.

1.2.5. Аргоно-дуговая наплавка и ее разновидности.

1.2.6. Плазменно-дуговой переплав с легированием.

1.2.7. Лазерное поверхностное упрочнение.

1.2.8. Электронно-лучевая обработка.

1.3. Постановка задач исследований.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Выбор поршневого сплава для создания упрочненных слоев.

2.2. Методика электронно-лучевого упрочнения в вакууме и технологическая аппаратура для ее реализации.

2.3. Обоснование выбора системы легирования для получения наплавленного металла с высоким комплексом механических свойств.

2.4. Металлографический анализ и измерение микротвердости.

2.5. Фазовый анализ.

2.6. Определение плотности.

2.7. Разработка методики измерения твердости при высоких температурах и описание конструкции прибора для ее осуществления

2.8. Испытания на теплостойкость (термоциклирование) исходного поршневого сплава и упрочненных слоев.

2.9. Испытания на износостойкость.

Глава 3. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВНОГО И УПРОЧНЕННОГО МЕТАЛЛА.

3.1. Микроструктура и фазовый состав поршневого сплава заэвтектического состава в исходном состоянии.

3.2. Структурные особенности упрочненных слоев, полученных методом электронно-лучевой технологии.

3.3. Влияние структурно-фазового состояния на характер распределения микротвердости.

3.4. Исследование кинетики старения поршневого сплава до и после электронно-лучевого упрочнения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УПРОЧНЕННЫХ

СЛОЕВ.

4.1. Исследование влияния технологических параметров процесса электронно-лучевой обработки на геометрические характеристики упрочненных слоев.

4.2. Определение плотности поршневого сплава в исходном состоянии и после обработки электронным лучом.

4.3. Изучение твердости основного и упрочненного электронным лучом металла при высоких температурах.

4.4. Испытание сплавов на сопротивление механическому изнашиванию.

4.5. Взаимосвязь структурно-фазового состояния и физико-механических свойств упрочненного металла.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Развитие машиностроения в современном мире во многом обусловливается решением проблемы надежности подвижных сопряжений деталей машин на основе рационального конструирования, разработки высокопрочных материалов и методов их технологической обработки, выбора смазочных материалов и покрытий. Основной путь создания деталей нового поколения заключается в нанесении на их рабочие поверхности защитных и упрочняющих покрытий, которые имеют свойства, значительно отличающиеся от свойств основного материала деталей. Такое разделение функций позволяет многократно повысить надежность и ресурс работы деталей машин при одновременном снижении затрат на изготовление единицы продукции.

Поршень является важнейшей и наиболее напряженной деталью двигателя внутреннего сгорания. Ресурс работы поршня в целом определяется ресурсом работы его слабых мест, к числу которых в зависимости от конструкции поршня и условий его работы относятся: зоны кольцевых канавок под компрессионные кольца, кромка камеры сгорания, днище и юбка поршня, жаровый пояс и отверстия для поршневого пальца. Для поршней дизельных двигателей проблема износа и разрушения слабых мест приобретает особую остроту, поскольку с повышением уровня форсирования дизельного двигателя значительно возрастают динамические нагрузки на поршень, что приводит к интенсификации износа его слабых мест. Как показывает анализ износов и разрушений поршней, из перечисленных слабых мест наиболее интенсивному износу подвержены зоны кольцевых канавок под компрессионные кольца, особенно зона первой кольцевой канавки. Образование предельного зазора между поршневым кольцом и канавкой в основном и определяет ресурс дизеля до переборки, расход топлива и масла, а также затраты на ремонт.

Материалом, используемым для изготовления поршней, являются преимущественно алюминиево-кремниевые сплавы (силумины). Поршни карбюраторных двигателей изготавливают из малокремнистых силуминов, в то время как поршни дизельных двигателей, особенно форсированных, выполняют из более жаропрочных высококремнистых силуминов эвтектического и заэвтектического состава. Однако для того, чтобы обеспечить удовлетворительную работу сопряжения первое поршневое кольцо - канавка, износостойкости высококремнистых силуминов оказывается явно недостаточно. Таким образом, разработка эффективных технологических процессов для упрочнения кольцевых канавок поршней форсированных дизельных двигателей является актуальной и одной из основных задач современного машиностроения.

Электронно-лучевая обработка пучками низкой энергии благодаря ряду преимуществ (более высокий, чем при лазерной обработке к.п.д., значительно меньшие энергозатраты, вакуумная дегазация и рафинирование обрабатываемого металла, возможность полной автоматизации процесса) является одним из наиболее перспективных методов упрочнения поршневых сплавов.

Работа выполнена в Проблемной НИЛ "Процессы сварки и создания защитных покрытий" и в Зональной межвузовской НИЛ электронно-лучевой технологии АлтГТУ в соответствии с тематическим планом Единого заказ-наряда Минвуза РФ (1993.2000 г.г.), а также в рамках программ, включенных на конкурсной основе в: Региональную НТП "Сибирь" (1995. 1997 г.г.), Региональную НТП "Нефть и газ Сибири" (1993. 1997 г.г.), Региональную НТП "Алтай-наука" (1995. 1998 г.г.), Республиканскую межвузовскую НТП "Сварочные процессы" (1995. 1998 г.г.), Республиканскую межвузовскую НТП "Сварка и контроль" (1999 г.), и гранта Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области транспортной техники в 1999 г. (Раздел 5 "Технология производства транспортной техники").

Цель работы. Разработка технологических основ процесса упрочнения поршневых алюминиево-кремниевых сплавов методом электронно-лучевой обработки в вакууме.

Для достижения цели в работе были поставлены следующие научные и прикладные задачи исследований:

- провести экспериментальные исследования по выявлению влияния технологических параметров режима электронно-лучевого упрочнения на геометрические характеристики упрочненных слоев; с использованием регрессионных моделей оптимизировать технологию упрочнения кольцевых канавок поршней под компрессионные кольца.

- исследовать физико-механические свойства упрочненного металла: твердость, в том числе при высоких температурах, микротвердость, износостойкость, плотность.

- установить качественную и количественную взаимосвязь структуры и свойств металла, наплавленного с легирующими добавками.

- оценить теплостойкость основного и упрочненного металла; выявить механизм разупрочнения от температурного воздействия методом исследования кинетики старения.

- разработать технологические рекомендации по практическому использованию технологии электронно-лучевого упрочнения; выявить области рационального использования разработанного способа упрочнения поршневых сплавов.

Методы исследований. Экспериментальные исследования процесса элекгронно-лучевой обработки в вакууме проводили на заготовках поршней, отлитых из заэвтектического силумина, с использованием электронно-лучевого энергетического комплекса ЭЛА-5 на основе пушки с плазменным эмиттером.

Микроструктурные исследования выполняли на оптическом микроскопе МИМ-8М и растровом электронном микроскопе Тез1а ВБ-ЗОО. Твердость и микротвердость упрочненных слоев измеряли на приборах 2109ТБ и ПМТ-ЗМ. Испытания на теплостойкость и исследование кинетики старения силаbob проводили методом измерения механических свойств. В качестве источника нагрева использовали печь типа "CHOJI".

Исследования износостойкости выполняли по модернизированной методике в условиях сухого и масляного трения скольжения со схемой изнашивания "пальчиковый образец - диск". Износ контролировали по потере массы на аналитических весах ВЛР-200.

Построение математических моделей и оценку их качества проводи при помощи программы "BESSER", которая предназначена для построения регрессионных моделей в прикладных статистических исследованиях. Основой программы является алгоритм поиска лучшей регрессионной модели, построенной методом наименьших квадратов.

Достоверность полученных результатов при решении поставленных в диссертационной работе задач обеспечивали использованием современных приборов, оборудования, компьютерной техники и методик экспериментальных и теоретических исследований, а также получением адекватных практических результатов.

Научная новизна.

- впервые метод электронно-лучевого упрочнения с легированием научно обоснованно применен для создания слоев с высокими механическими свойствами на поверхности поршневых алюминиево-кремниевых сплавов. На разработанный способ получено положительное решение по заявке на патент №98123272/02 от 21.12.1998 г.

- установлены рациональные технологические параметры режима электронно-лучевого упрочнения применительно к обработке зон кольцевых канавок под компрессионные кольца.

- получены новые экспериментальные данные о физико-механических свойствах упрочненного металла, в том числе при высоких температурах; установлено, что в слоях, упрочненных с легированием, на алюминиевой основе со структурой эвтектики сложного состава возможно получение твердости до 2300 МПа по Бринеллю, и сохранение высоких показателей твердости при повышенных температурах.

- установлена зависимость физико-механических свойств упрочненного металла от количества легирующих элементов, вводимых при наплавке; разработаны рекомендации по управлению формированием микроструктуры с целью получения упрочненного металла с заданным комплексом механических свойств.

Практическая ценность работы. Разработана технология электроннолучевого упрочнения поршневых силуминов, которая может быть использована для упрочнения слабых мест поршней, например кольцевых канавок под компрессионные кольца. Разработанный технологический процесс упрочнения поршневых силуминов прошел опытно-промышленную проверку и внедрен на научно-производственной фирме (НПФ) "ЭЛИОМ" (г.Барнаул).

Диссертационные исследования и разработки используются в учебном процессе АлтГТУ при выполнении дипломных проектов, лабораторных занятий и научно-исследовательских работ студентов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований по выявлению влияния технологических параметров процесса электронно-лучевой обработки на геометрические характеристики упрочненных слоев с использованием метода планирования эксперимента и последующим построением регрессионных математических моделей.

- результаты исследований микроструктуры поршневого сплава в исходном состоянии и после его упрочнения методом электронно-лучевой технологии.

- результаты исследования кинетики старения упрочненных слоев, на основании которых выявлен механизм разупрочнения обработанного металла от воздействия температуры.

- установленные зависимости физико-механических свойств (твердости, в том числе при высоких температурах, микротвердости, плотности, износостойкости) основного и упрочненного металла и их взаимосвязь со структурно-фазовым состоянием обработанного металла и содержанием в нем легирующих элементов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (г.Барнаул, 1998 г.), XXX Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы современного строительства" (г.Пенза, 1999 г.), научно-технической конференции студентов и аспирантов Рубцовского индустриального института (г.Рубцовск, 1999 г.), V Межгосударственном семинаре "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (г.Обнинск, 1999 г.), III Международном Российско-Корейском симпозиуме (КО!Ш8л99) (г.Новосибирск, 1999 г.), Международной молодежной научной конференции "XXV Гагаринские чтения" (г.Москва, 1999 г.), 1 Международной научно-технической конференции "Металлофизика и деформирование перспективных материалов (Металлдеформ-99)" (г.Самара, 1999 г.), 56-й научно-технической конференции студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (г.Барнаул, 1999 г.), научно-практической конференции "Наука - городу Барнаулу" (г.Барнаул, 1999 г.). Диссертация обсуждалась на научно-технических семинарах кафедры "Малый бизнес и сварочное производство" АлтГТУ.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 22 научных работах, в том числе в 3-х отчетах по научным темам, прошедших государственную регистрацию. Получено положительное решение по заявке на патент № 98123272/02 от 21.12.1998 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и приложений. Работа изложена на 203 стра