Поршневые силумины

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

 

 

 

 

 

ИНСТИТУТ: ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

КАФЕДРА: МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

 

«Поршневые силумины»

 

 

 

 

 

 

 

Студентка группы МТМ-13-1, Занаева Э.Н.

     Преподаватель: проф. Золоторевский В.С.

                                  .                               

 

 

 

 

 

Москва 2013

 

 

Содержание

 

Введение

Поршень является наиболее ответственной  деталью в двигателе современного автомобиля. К поршню предъявляются  следующие требования – легкость, прочность, способность выдерживать  значительные механические нагрузки и тепловые удары, высокая износостойкость рабочих поверхностей, низкое трение при минимально возможном зазоре в цилиндре.

Автомобильные поршни изготавливаются преимущественно  из алюминиевых сплавов, реже из чугуна. Чугун, обладая рядом таких приятных качеств, как низкий коэффициент линейного расширения, равный по величине материалу гильзы цилиндра, высокая термостойкость, высокая прочность, отличные подшипниковые свойства, в настоящее время практически не применяется. Тормозом послужили два обстоятельства. Во-первых, низкая теплопроводность и, как следствие, плохая детонационная стойкость мотора, не позволяющая использовать высокие степени сжатия. Во-вторых, большой удельный вес является препятствием к быстроходности. Из алюминиевых сплавов для поршней в подавляющем большинстве используются силумины, то есть сплавы системы алюминий -кремний с различным содержанием кремния.

Таким образом, сплавы, используемые для производства поршней должны обладать высокой жаропрочностью, усталостной прочностью и низким коэффициентом термического расширения.

Ni-содержащие (поршневые) силумины – это, как правило, сплавы с большой объемной долей фаз (прежде всего Si- и Ni-содержащих), поэтому их пластичность мала (δ < 1 %). Все стандартные силумины этой группы приведены в ГОСТ 1583-93 и ГОСТ 30620-98, содержат в качестве легирующих компонентов кремний, медь, магний и никель, а основной примесью является железо (таблица 1).

Поршневые силумины имеют сложную  многофазную структуру. Для строгого анализа данных сплавов требуется рассматривать шестикомпонентную систему Al – Si – Ni – Cu – Mg – Fe, поскольку все элементы этой системы оказывают сильное влияние на структуру и фазовый состав. Но так как эта диаграмма не построена, анализ фазового состава сплавов следует проводить с использованием четырехкомпонентных диаграмм состояния.

Общие особенности фазового состава

В настоящее время при изготовлении поршней используют два вида силуминов:

эвтектические с содержанием кремния  10-13% и заэвтектические – 14-22%. Нижний предел по кремнию обусловлен достижением необходимого уровня коэффициента термического расширения, который в значительной мере определяется количеством кремниевой фазы. Верхний предел связан с обеспечением минимального уровня пластичности, а так же технологическими проблемами при выплавке высококремнистых сплавов.

Концентрация магния составляет 1 %, что способствует уже в литом  состоянии получить в составе (Al) не менее 0,4% Mg. Это позволяет добиться существенного прироста твердости после старения без закалки (Т1). При таком высоком содержании магния в структуре поршневых силуминов обычно присутвствуют эвтектические включения фазы Mg₂Si, а так же других Mg-содержащих фаз (в частности четверных соединений π и Q).

 

Таблица 1 – Химический состав некоторых поршневых силуминов (ГОСТ 1583-93 и ГОСТ 30620-98)

Марка	Концентрация, % (Al – основа)
	Si	Ni	Cu	Mg	Fe	Mn
АК12ММгН	11-13	0,8-1,3	0,8-1,5	0,7-1,3	0,7	0,2
АК12М2Мгн	11-13	0,8-1,3	1,5-3,0	0,7-1,3	0,8	0,3-0,6
АК21М2,5Н2,5	20-22	2,2-2,8	2,2-3,0	0,2-0,5	0,9	0,2-0,4
КС740	16-18	1,1-1,7	1,8-2,4	0,7-1,2	0,5	0,6-1
КС741	19-22	1,1-1,7	1,8-2,4	0,7-1,2	0,5	0,6-1
АК18	17-19	0,8-1,3	0,8-1,5	0,8-1,3	0,5	0,2
ЖЛС	11-13	1-1,3	1-1,3	0,-1,3	0,5	0,15
АК10М2Н	9,5-10,5	0,8-1,2	0,9-1,2	0,9-1,2	0,6	0,05

 

Концентрация меди в большинстве сплавов находится пределах от 1 до 3%, но иногда превышает и 5%. В сплавах с никелем медь может образовывать не только фазы Al₂Cu и Al₅Cu₂Mg₈Si₆, но и тройные соединения Al₇Cu₄Ni и Al₃CuNi. Это значительно усложняет анализ фазового состава. При старении по режимам Т2 илиТ7 образуются не только метастабильные, но и стабильные Cu-содержащие фазы θ, Q,S.

Концентрация примеси цинка  в марочных сплавах обычно не превышает 0,5%, и он практически полностью  растворяется в (Al), не оказывая влияния на фазовый состав.

Железо обычно является примесью и  полностью входит в состав одной  из фаз эвтектического происхождения, которые, как правило, оказывают  отрицательное влияние на механические свойства Наиболее вредными являются иглообразные включения фазы Al₅FeSi, поэтому на практике к поршневым силуминам часто предъявляют более строгие ограничения по примеси железа, чем это показано в базовом марочном составе. Железо образует с никелем фазу Al₉FeNi, которая может иметь различную морфологию в зависимости от реакции, по которой она кристаллизуется. Поскольку поршневые силумины содержат много магния, то в них велика вероятность появления четверного соединения Al₈FeMg₃Si₆, даже при небольшом содержании железа (уже начиная с 0,1%).

При наличии марганца следует ожидать появления фазы Al₁₅(FeMn)₃Si₂, которая в составе эвтектик характеризуется скелетообразной морфологией. Наличие марганца (особенно в качестве добавки) усложняет анализ распределения железа между возможными Fe-содержащими фазами. При этом в сплавах с небольшим содержанием этой добавки (например, АК12М2МгН) возможно появление и первычных кристаллов фазы Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂в форме многогранников. Концентрация марганца в алюминиевой матрице мала.

Никель входит в состав поршневых  силуминов обычно в количестве около 1%, но иногда его концентрация может превышать и 3%, что объясняется его положительным влиянием на характеристики жаропрочности и коэффициент термического расширения.

Никель оказывает очень сильное  влияние на фазовый состав поршневых  силуминов, так как в зависимости от соотношения между элементами, возможно образование различных фаз. С железом он образует соединение Al₉FeNi, эвтектические включения которого, в зависимости от состава сплава и скорости охлаждения при затвердевании, могут иметь различную морфологию: скелетную, тонкодифференцированную и компактную (обычно овальную). Первичные кристаллы этого соединения из-за грубой морфологии нежелательны. В случае приготовления сплавов из первичных материалов высокой чистоты никель образует фазу Аl₃Ni. Эта фаза обычно входит в состав эвтектик, в частности (Al) + (Si) + Al₃Ni. При совместном присутствии никеля и меди возможно образование двух соединений Al₆Cu₃Ni Al₃(Ni,Cu)₂, что приводит к обеднению алюминиевой матрицы медью даже после закалки. При концентрации никеля, как минимум до 4% включительно (если Fe<0.1%), образование первичных кристаллов Al-Ni фаз маловероятно.

Алюминиевая матрица поршневых  сплавов содержит три элемента (Si, Mg, Cu), которые определяют фазовый состав продуктов старения. Остальные элементы входят в состав тех или иных избыточных фаз.

 

Эвтектические Ni-содержащие силумины

 

Сплавы АК12М2МгН и АК12ММгН содержат около 12% Si примерно 1%Ni и Mg, они различаются только концентрацией меди (2 и 1% соответственно), что мало отражается на структуре и свойствах. В литом состоянии основной структурной составляющей является алюминиевокремниевая эвтектика, внутри которой в световом микроскопе сложно увидеть включения других фаз, в частности железистых. При содержании кремния на верхнем пределе и при наличии модифицирующей добавки фосфора в структуре этих силуминов следует ожидать значительного количества первичных кристаллов (Si).

            

а                                                                     б

а – АК12М2МгН;

б – АК21М2,5Н2,5

Рисунок 1 – Микроструктура поршневых  силуминов (литье в кокиль)

 

Большая часть никеля присутствует в виде крупных скелетообразных  частиц соединения Al₉FeNi эвтектического происхождения, а так же в виде первичных кристаллов, имеющих неправильную форму. Часть никеля может быть связана в Cu-содержащие фазы (Al₃(Ni,Cu)₂ или Аl₆Cu₃Ni), но их количество сравнительно мало. Железо кроме соединения Al₉FeNi может входить в состав фаз Al₈FeMg₃Si₆ и Al₁₅(FeMn)₃Si₂, а при его содержании более 0,6-0,8% очень вероятно образование иглообразных включений β-фазы, которые особенно вредны в виде первичных кристаллов. Из-за высокого для силуминов содержания магния в сплавах АК12М2МгН и АК12ММгН присутствуют скелетообразные частицы фазы Mg₂Si, а также четверного соединения Al₈FeMg₃Si_6. Медь входит в состав фаз Al₅Cu₂Mg₈Si₆ и Al₂Cu, при этом количество последней в сплаве АК12ММгН очень мало. Часть меди и магния растворяется в (Al), что приводит к упрочнению, особенно существенному после термообработки Т1, за счет вторичных выделений метастабильных модификаций фаз Mg₂Si и Al₈FeMg₃Si₆.

 

Таблица 2 – Минимальные механические свойства некоторых поршневых силуминов

Марка	Состояние	σВ, МПа	δ, %	НВ
АК12ММгН	К, Т1 К, Т6	200 220	0,5 0,7	90 100
АК12М2МгН	К, Т1	190	0	90
АК21М2,5Н2,5	К, Т1	190	0	100

 

Минимальные свойства, приведенные  в таблице 2, показывают, что поршневые  силумины, характеризуются низкой пластичность и невысокой прочностью, но имеют значительную твердость, что положительно отражается на износостойкости. Как видно из таблицы (на примере сплава АК12ММгН), проводить полную термообработку нецелесообразно, так как прирост свойств невелик.

 

Заэвтектические поршневые силумины

 

Сплав АК21М2,5Н2,5 содержит более 20%Si, т.е. является типичным заэвтектическим силуминам, однако кроме кремниевой фазы первично может кристаллизоваться и соединение Al₉FeNi. Именно эти структурные составляющие позволяют легко отличить по структуре сплав АК21М2,5Н2,5 от других стандартных силуминов. Остальные элементы структуры примерно такие же, как и в других поршневых силуминах: алюминиевокремниевая эвтектика и частицы фаз Al₅Cu₂Mg₈Si₆ и Al₂Cu. Образование силицида магния и β-фазы маловероятно.

Области применения

Поршни массовых автомобилей изготавливаются  методом литья в кокиль из эвтектических  сплавов, поскольку эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами. Поршни тяжелонагруженных двигателей больших объемов изготавливаются из заэвтектических сплавов. Качественные заготовки поршней из высококремнистых сплавов получить традиционным методом ( литье в кокиль) получить не удается из-за разных скоростей кристаллизации кремния в объеме отливки (появляются поры). Поэтому заготовки из этих сплавов получают по более сложным технологиям: жидкой штамповки и изотермической штамповки. Соответственно эти сплавы обладают большей прочностью, но имеют большую стоимость в производстве. Структура металла заготовок поршней, полученных штамповкой, отличается от литых тем, что она мелкодисперсная и не имеет таких грубых включений кристаллов кремния. В следствии этого материал штампованных поршней обладает повышенными механическими характеристиками не только при нормальной температуре, но и при рабочих температурах в 300-350 ˚С. Более лучшие прочностные характеристики позволяют сделать штампованный поршень более "ажурным", т.е. легче чем литой. К недостаткам штампованных поршней стоит отнести высокую стоимость и необходимость соблюдения при их установке более точных параметров.

Основные проблемы поршневых силуминов

К настоящему времени получили практическую реализацию эффективные методы изготовления (плавки и литья) высококачественных изделий из эвтектических и заэвтектических силуминов. Наиболее эффективными методами улучшения свойств силуминов являются модифицирование, микролегирование, интенсификация процесса кристаллизации сплава и комплексное применение данных методов.