Дослідження структуроутворення силумінів, розробка і освоєння технології виробництва зносостійких дизельних поршнів - Автореферат

Актуальність Сучасні вимоги споживчого ринку стимулюють зростання виробництва дизельних двигунів з високими техніко-економічними показниками, які багато в чому визначаються властивостями поршневих сплавів, таких як зносостійкість, жароміцність, стійкість до термічного розширення і розгарних тріщин, низька питома вага. Форсовані режими роботи важконавантажених дизельних двигунів приводять до зростання робочої температури поршня до 250...3500С, до додаткового термічного розширення поршня, до його більш інтенсивного корозійного і абразивного зносу. Для досягнення цих цілей були поставлені наступні задачі: 1 - обгрунтувати і розробити хімічний склад нового гранульованого зносостійкого сплаву на основі електротермічного силуміна (сплав Альрезист); 2 - дослідити вплив параметрів охолоджування на фазовий склад і структуру сплаву Альрезист; 3 - розробити технологічні параметри виробництва гранульованого сплаву Альрезист; 4 - дослідити вплив температурно-деформаційних режимів переробки гранульованого сплаву Альрезист на його структуру, фазовий склад і властивості; 5 - розробити і обгрунтувати технологічні параметри виробництва суцільноштампованої поршневої заготовки зі сплаву Альрезист. Вперше в роботі показано, що Н-подібні кристали первинного кремнію в заевтектичних силумінах є дендритні форми зростання стрічкових кристалів і по морфологічних ознаках виявлені три їхні різновиди. Вперше показано, що морфологічні особливості дендритних форм зростання стрічкових кристалів кремнію в заевтектичних електротермічних силумінах підтверджують механізм зростання стрічкових кристалів з алмазоподібними гратами, запропонованими в роботах Петрова Д.А. і Буханової А.А.Причому чим більше в силумінах міститься кремнію, тим вище зносостійкість і нижче к.л.р., а чим більше сплав містить перехідних легуючих елементів, тим краще його показники жароміцності. Основною перешкодою, що обмежує подальше зростання їх вмісту в сплавах є різке пониження пластичності, стійкості до розгарних тріщин та ударних навантажень через утворення в структурі великих первинних кристалів кремнію та інтерметаллідів при затвердженні. Аналіз теплофізичних властивостей сплавів на основі алюмінію дозволяє передбачити дуже сильну залежність структури та фазового складу цих сплавів від швидкості охолодження при твердінні, що може дозволити значно поліпшити структурно-чутливі властивості сплавів такі як жароміцність, пластичність і стійкість до крихкого руйнування. На основі аналітичного огляду літератури виявлено основні тенденції в розробці складів нових зносостійких і жароміцних поршневих сплавів на основі алюмінію, проаналізовано механізми впливу структури сплавів на вказані властивості і доцільність застосування швидкостей охолоджування 103...104 град/с при затвердженні для поліпшення пластичності та вязкості сплавів з високими показниками зносостійкості, жароміцності та стійкості до термічного розширення. Встановлено, що фазові складові сплаву при затвердженні з швидкостями охолоджування не більше за 10 град/с представлені великими пластинами первинних кристалів кремнію розміром 200...300 мкм, дільницями a-Al твердого розчину, великими голчатими кристалами b(FESIAL5) фази, тонкими великими пластинами d(FESI2Al4) фази і багатофазною тонкодиференційованою евтектикою, до складу якої входять a(Fe2SIAL8), Al5SIMN, FEAL3, b(FESIAL5), d(FESI2Al4), CUAL2, Si і a-Al тв.розчин.У дисертації приведено теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, яка полягає в підвищенні зносостійкості дизельних поршнів (зокрема двигуна КАМАЗ 740) на основі вивчення закономірностей структуроутворення складнолегованих висококремнистих Al-Si сплавів при твердінні їх з швидкостями охолоджування 103...104 град/с. На основі отриманих закономірностей розроблено новий гранульований сплав Альрезист, розроблені і освоєні технологічні параметри виробництва з нього суцільноштампованого поршня, стендові випробування якого показали збільшення зносостійкості поршнів в 1,3...1,5 рази. Аналіз науково-технічної літератури показав, що підвищення зносостійкості, жароміцності і стабільності до термічного розширення поршневих сплавів для форсованих дизельних двигунів, є актуальне науково-технічне завдання, рішення якого є можливе на основі вивчення закономірностей формування структурно-фазового складу висококремнистих силумінів, легованих перехідними металами при їх твердінні з високими швидкостями охолодження (103-104 град/с). Встановлено, що при зміні швидкості охолоджування при твердінні від 10 град/с до 103...104 град/с в сплаві Альрезист відбуваються наступні структурні зміни: - на порядок зменшуються розміри первинного кремнію (з 200-300 мкм до 15-25 мкм); Вперше показано, що структуроуворення гранульованого сплаву Альрезист при затвердженні з швидкостями охолоджування 103...104 град/с йде відповідно до метастабільної діаграми стану Al-Si-Fe, яка будувалась шляхом екстраполяції поверхні ліквідуса і відповідного тальвега стабільної діаграми в переохолоджену область.Фазовый состав и пре

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ В РОБОТАХ

У дисертації приведено теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, яка полягає в підвищенні зносостійкості дизельних поршнів (зокрема двигуна КАМАЗ 740) на основі вивчення закономірностей структуроутворення складнолегованих висококремнистих Al-Si сплавів при твердінні їх з швидкостями охолоджування 103...104 град/с. На основі отриманих закономірностей розроблено новий гранульований сплав Альрезист, розроблені і освоєні технологічні параметри виробництва з нього суцільноштампованого поршня, стендові випробування якого показали збільшення зносостійкості поршнів в 1,3...1,5 рази. По матеріалах проведених досліджень отримано наступні основні наукові і практичні результати: 1. Аналіз науково-технічної літератури показав, що підвищення зносостійкості, жароміцності і стабільності до термічного розширення поршневих сплавів для форсованих дизельних двигунів, є актуальне науково-технічне завдання, рішення якого є можливе на основі вивчення закономірностей формування структурно-фазового складу висококремнистих силумінів, легованих перехідними металами при їх твердінні з високими швидкостями охолодження (103-104 град/с). На основі критичного аналізу науково-технічної інформації запропоновано та обгрунтовано хімічний склад гранульованого поршневого сплава Альрезист.

2. Встановлено, що при зміні швидкості охолоджування при твердінні від 10 град/с до 103...104 град/с в сплаві Альрезист відбуваються наступні структурні зміни: - на порядок зменшуються розміри первинного кремнію (з 200-300 мкм до 15-25 мкм);

- подавляється кристалізація грубих кристалів первинних інтерметалідів з вмістом заліза d(FESI2Al4) і b(FESIAL5);

- збільшується на 20...27% обємна частка a-Al твердого розчину;

- формується тонкодисперсна багатофазна евтектика, до складу якої входять Si, a-Al, d(FESI2Al4), b(FESIAL5), a(Fe2SIAL8), FEAL3 і CUAL2.

3. Вперше показано, що структуроуворення гранульованого сплаву Альрезист при затвердженні з швидкостями охолоджування 103...104 град/с йде відповідно до метастабільної діаграми стану Al-Si-Fe, яка будувалась шляхом екстраполяції поверхні ліквідуса і відповідного тальвега стабільної діаграми в переохолоджену область. Правомірність екстраполяції ліній і поверхонь діаграми стану в область переохолодження знаходиться відповідно до принципу безперервності Курнакова Н.С.

4. Вперше показано, що при затвердженні гранул з швидкостями охолоджування 103-104 град/с первинні кристали кремнію кристалізуються у вигляді стрічкових дендритів двох типів та . По морфологічних ознаках стрічкового дендрита можна визначити тип стрічкового кристала. Морфологія, що спостерігалась у сплаві Альрезист, стрічкових дендритів кремнію, підтверджує зростання кристалів з алмазоподібними кристалічними гратами на базі полісинтетичних двійників по механізму Петрова Д.А. та Буханової А.А. і спростовує поширений в літературі механізм зростання стрічкових кристалів по Гамільтону і Вагнеру. Вперше за результатами зішліфовок побудовано стереомоделі стрічкових дендритів кристалів кремнію та .

5. Вперше розроблено модель і запропоновано механізм зростання пятипроменевих кристалів кремнію, що спостерігалися в гранульованому сплаві. Показано, що зростання пятипроменевих кристалів здійснюється на циклічному двійникові, у якого грані вхідних кутів являють собою полісинтетичні двійники, що приводить до появи пяти тетраедричних центрів зростання, що формують пятипроменевий кристал.

6. Встановлено, що прутки, отримані з гранульованого сплаву Альрезист, виявляють ознаки ефекту надпластичності у вузькому температурному інтервалі 480...5000С і швидкості деформування 10...100 мм/хв.

7. Внаслідок виявлених закономірностей структуроутворення сплаву Альрезист визначено основні технологічні параметри: - отримання гранульованого сплаву (температура розплаву; величина щільності трифазного змінного струму, яким обробляється розплав перед грануляцією; швидкість обертання склянки гранулятора);

- дегазація гранул (температура дегазації капсул з гранулами, час витримки під вакуумом);

- отримання брикета (температура брикетування, час витримки в штампі під тиском, температура штампу);

- екструдування прутка з брикета (температура брикета, питоме зусилля та швидкість деформування, температура пресового інструмента);

- ізотермічного штампування поршневой заготовки (температура нагріву заготовки, швидкість деформування, питоме зусилля штампування).

8. Показано, що прутки із сплава Альрезист мають стійкість до термічного розширення на рівні сталі (коефіцієнт лінійного розширення а300-14~15х106К1); міцність на розтягнення при 200С - 270...290 МПА, при 2500С - 160...175МПА; твердість за Брінелем 145...155 та 90...110НВ при температурах 20 та 2500С відповідно. Стендові іспити поршнів під типорозмір двигуна КАМАЗ 740 показали зростання зносостійкості в 1,3...1,5 рази.

9. Сплав Альрезист розроблено на базі електротермічного силуміна і містить до 36%Si, 4%Cu та легуючий комплекс з перехідних металів (Ti, Ni, Zr, Cr, Fe). Вміст в сплаві до 2% Fe дозволяє використати для виробництва сплаву вітчизняні родовища кіанітових руд з підвищеним змістом заліза.